Повышение режущих свойств твердосплавного инструмента на основе комплексного модифицирования его поверхности электронно-лучевым легированием сплавов NbHfTi и нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Йе Мин Со

• Йе Мин Со
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Йе Мин Со

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности изнашивания твердосплавного инструмента

1.2 Методы поверхностного упрочнения режущих элементов из твердосплавных инструментов

1.2.1 Механическое упрочнение

1.2.2 Химико-термическая обработка

1.2.3 Обработка ультразвуком

1.2.4 Нанесение износостойких покрытий

1.2.5 Физико-химическое упрочнение посредством обработки КПЭ

1.2.5.1 Облучение лазерными пучками

1.2.5.2 Облучение металлов ионным пучком

1.2.5.3 Электронно-лучевая обработка

1.2.5.4 Электроискровое легирование

1.2.5.5 Электровзрывное легирование

1.2.5.6 Термогидрохимическая поверхностная обработка

1.2.5.7 Комплексная обработка поверхностей твердых сплавов

1.3 Анализ данных литературного обзора. Постановка цели и задач

исследований

Выводы по первой главе

Глава 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ РЕЖУЩИХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ С КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКОЙ И ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

2.1 Объекты исследования. Твердосплавные пластины из ВК8, Н13А(аналог ВК60М) и твердосплавные сверла из ВК8

2.2 Методика комплексной обработки твердосплавных пластин из сплава ВК8 и пластин Н13А(аналог ВК60М)

2.3 Методика определения микроструктуры легированного слоя твердосплавных пластин из сплава ВК8 и пластин Н13А(аналог ВК60М)

2.4 Методика определения режущих свойств твердосплавных пластин из ВК8,

пластин Н13А(аналог ВК60М) и сверл из ВК8

Выводы по второй главе

Глава 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО МОДИФИЦИРОВАННОГО СЛОЯ НА ПЛАСТИНАХ ИЗ СПЛАВА ВК8 И Н13А(АНАЛОГ ВКбОМ)

3.1 Особенности воздействия электронных пучков на твердый сплав

3.2 Влияние микролегирования при помощи низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на структуру твердых сплавов ВК8 и

Н13А

Выводы по третьей главе

Глава 4. ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ НА РЕЖУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН ИЗ СПЛАВА ВК8, ПЛАСТИН Н13А(АНАЛОГ ВКбОМ) И ТВЕРДОСПЛАВНЫХ СВЕРЛ ИЗ ВК8

4.1 Оптимизация технологии микролегирования поверхности режущих пластин из ВК8 и пластин Н13 А(аналог ВКбОМ)

4.2 Исследование свойства твердосплавной пластины Н13А(аналог ВКбОМ) после комплексной обработки при резании жаропрочных сплавов ХН73МБТЮ и ХН67ВМТЮ

4.3 Исследование процесса сверления синтеграна цельными твердосплавными сверлами из ВК8 с комплексной обработкой режущей

части

Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение режущих свойств твердосплавного инструмента на основе комплексного модифицирования его поверхности электронно-лучевым легированием сплавов NbHfTi и нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. С каждым годом в современном автоматизированном машиностроительном производстве всё более важную роль играет внедрение инновационных технологий, позволяющих значительно повышать производительность механообработки.

Режущий инструмент является одним из узких мест в технологических системах автоматизированного производства. Исследования и производственный опыт показывают, что наибольшая доля отказов технологических систем металлообработки связана с отказами режущих инструментов - катастрофическим износом и поломкой. В связи с тем, что отказ инструмента обычно происходит значительно раньше изнашивания деталей и узлов технологического оборудования (станков, приспособлений и т.д.), именно из-за инструмента, если не будет выполнена его предупредительная замена, обязательно произойдет сбой технологической системы в целом. В то же время использование современного высокопроизводительного и качественного режущего инструмента повышенной надежности, позволяет заметно увеличить эффективность автоматизированного производства и надежность его функционирования [1].

Практически все влияющие на работоспособность режущего инструмента характеристики: твердость, термостойкость, износостойкость и др. определяются свойствами его поверхностных слоев. Инструмент изнашивается по поверхности, усталостные трещины образуются от его поверхности, и термостойкость тоже в первую очередь касается поверхности [2]. Для режущего инструмента работающего при значительных напряжениях, существенным является не только высокая твердость поверхностного слоя, но и способность воспринимать значительную пластическую деформацию в процессе обработки. В большинстве случаев обработки инструментами с покрытиями разрушение инструмента, в том числе и из твердого сплава, начинается с пластической деформации приповерхностных слоев вблизи границы раздела, что вызывается экстремальным

воздействием силы резания. Таким образом, сопротивление изнашиванию инструмента с износостойким покрытием зависит не только от свойств собственно покрытия, но и от свойств подложки [3].

Основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием в современном машиностроении, являются твердые сплавы. Твердосплавным инструментом снимается три четверти всей стружки (из всего объёма стружки, снимаемой инструментами из всех имеющихся инструментальных материалов) [4].

По мере совершенствования технологии инструментального производства область применения инструмента из твердых сплавов расширяется. С появлением все более труднообрабатываемых материалов появляется потребность в твердых сплавах с более высокой твердостью, формоустойчивостью и износостойкостью. При этом необходимо не только создавать новый инструмент с улучшеными свойствами, но и совершенствовать качество наиболее распространенных марок твердого сплава. Дальнейшее развитие технологии поверхностного упрочнения металлов и сплавов связывают с разработкой комбинированных процессов, включающих последовательно несколько методов модификации материала, чтобы получить сочетание свойств, которое невозможно получить в отдельном применении этих технологий [5]. При помощи таких методов обработки можно существенным образом изменить физико-механические, теплофизические и химические свойства исходного инструментального материала, его взаимодействующую с заготовкой поверхность [6]. Используя структурные эффекты и выбирая фазовые составляющие, современные технологии позволяют конструировать композит инструментальный материал-покрытие так, чтобы скомбинировать основные свойства (высокая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т.д.), необходимые в условиях эксплуатации режущих инструментов [7].

При совмещении процессов обработки поверхности концентрированными потоками энергии и нанесения износостойкого покрытия предоставляется возможность повысить эксплуатационные свойства изготовляемой продукции с

одновременным повышением точности и производительности технологического процесса обработки в целом [8].

Настоящая работа основана на модификации поверхности сменных многогранных пластин и цельных сверл из твердых сплавов группы ВК (ВК8, Н13А) для повышения их эксплуатационных характеристик при использовании двух поверхностных технологий, примененных последовательно: предварительного легирования низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком и нанесения износостойкого вакуумно-дугового покрытия [9]. Научные и практические результаты работы реализованы при выполнении госбюджетных работ по государственному контракту № 11411.1003704.05.080 от 24.11.2011 г. Министерства промышленности и торговли РФ.

Благодаря комбинированной обработке удается получить слой, обеспечивающий повышенную стойкость и минимальную интенсивность изнашивания рабочих поверхностей инструмента. В связи с этим данная работа является актуальной.

Степень разработанности. Процессы изнашивания твердосплавного инструмента при резании явились объектом исследования многих отечественных ученых технологической школы обработки материалов резанием (A.A. Аваков, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макаров, Н.В. Талантов, П.И. Ящерицын и др.). Существенного повышения износостойкости и прочностных характеристик твердосплавного инструмента добивались, целенаправленно используя высокотехнологичные физико-химические методы поверхностного упрочнения твердых сплавов, применяя как традиционные, так и новые технологические процессы. Развитием методов модифицирования инструментальных материалов занимались российские учёные Верещака A.C., Григорьев С.Н., Кремнев Л.С., Барвинок В.А., Андреев A.A., Табаков В.П., Аксенов И.И. и др. Однако, метод модификации поверхности инструментов из твердого сплава, который предлагается в данной работе ранее не применялся и его оригинальность подтверждается патентом РФ на изобретение № 2501865 «Способ упрочнения изделий из твердых сплавов».

Цель работы. Цель работы состоит в увеличении производительности сменных многогранных пластин ВК8, Н13А и цельных твердосплавных сверл (ВК8) за счет повышения стойкости при использовании комбинированной обработки, включающей в себя комплексное модифицирование поверхности инструмента электронно-лучевым легированием сплавом NbHfTi с последующим нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N.

Для достижения цели необходимо решить следующие научные задачи:

1. Разработать технологию получения модифицированного поверхностного слоя легированием карбидообразующими элементами IV-V групп при помощи низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на режущих пластинах из твердого сплава.

2. Осуществить комбинированную обработку СМП из сплава ВК8 и Н13А и сверл из сплава ВК8 на основе электронно-лучевого легирования сплавом Nb7oHf222Tis на установке «РИТМ-СП» и последующего нанесения износостойкого покрытия (TiAl)N на установке Platit л80.

3. Исследовать зависимость изнашивания по главной задней поверхности СМП от пути резания после комплексной обработки при резании стали 40Х и никелевого сплава ЭИ968.

4. Исследовать зависимость изнашивания по уголку от времени работы цельных твердосплавных сверл с модифицированной режущей частью при сверлении синтеграна.

5. Научно обосновать рекомендации по повышению производительности резания твердосплавным инструментом с комплексной обработкой.

Объектом исследования является процесс модифицирования приповерхностного слоя твердого сплава микролегированием при помощи обработки низкоэнегетическим сильноточным электронным пучком по магнетронному напылению сплавом NbHfTi, проводимый перед нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N, и влияние этого процесса на режущие свойства инструмента.

Предметом исследования являются закономерности влияния факторов процесса микролегирования твердосплавных инструментов на их изнашивание при резании.

Методы исследования. Работа выполнена на основе применения основных положений теории резания материалов и физического материаловедения. Объекты исследования получали на установке поверхностного легирования «Ритм-СП» и установке для нанесения износостойких покрытий Platit 7е80. Испытания на стойкость проводились на токарном станке 16К25, 1650ЕКГСфирмы JescoMachinery с трехкомпонентным динамометром «9257ВА» фирмы Kistler и на обрабатывающем центре, созданном на базе станка 24К40СФ4, оснащенном ЧПУ FlexNC-70 фирмы «СТАНКОЦЕНТР». Исследования структуры проиповерхностного слоя инструмента проводились методами металлографического (оптический микроскоп CarlZeissAxio, микротвердомер Polyvar-Met, микроскоп MicroCADlite), реитгеноструктурного (Дрон-УМ), рентгеноспектрального (рентгеновский спектрометр FisherXULMXYm) и электронномикроскопического (сканирующий электронный микроскоп VEGA 3 LMH компании TESCAN) анализа.

Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:

- Способ обработки инструмента из твердого сплава, обеспечивающий возможность получения градиентного по химическому составу модифицированного слоя глубиной от 2 до 5 мкм.

- Математическая модель влияния управляющих факторов процесса микролегирования поверхности на величину пути резания модифицированным инструментом.

Научная новизна работы состоит в:

разработке способа упрочнения инструментов из твёрдых сплавов, включающего нанесение на функциональную поверхность инструмента износостойкого покрытия, отличающийся тем, что перед нанесением износостойкого покрытия проводится нанесение металлического слоя из карбидообразующих элементов IV-V группы с послелдующим его облучением

низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком при длительности импульса 4-6 мкс и плотностью энергии в пучке 4.5-6 Дж/см2.

- выявленнии взаимосвязи между управляющими факторами процесса микролегирования поверхности (ускоряющее напряжение-И; количество обрабатывающих импульсов-п; время нанесения покрытия ЫЬНПл магнетроном-Т; давление рабочего газа в вакуумной камере при облучении-Р и количество циклов обработки-]^) твердосплавного инструмента в составе комплексной поверхностной обработки и его режущими свойствами.

достижении существенного снижения интенсивности изнашивания твердосплавного инструмента с комбинированной обработкой благодаря уменьшению силы резания за счет смещения зоны изнашивания и вершины резца и уменьшения радиуса скругления режущей кромки р после приработки резца из-за изменения условий взаймодействия с обрабатываемым материалом.

Теоретическая значимость работы заключается в установлении взаимосвязей между параметрами процесса физико-технической обработки твердосплавного инструмента и процесса резания: кинетикой изнашивания режущего инструмента после комплексной поверхностной обработки при точении и сверлении, силами резания, условиями стружкообразования, шероховатостью обработанной поверхности.

Практическая значимость работы заключается в:

- технологии комбинированной обработки режущих пластин, на основе электронно-лучевого легирования сплавом МЬНГП с последующим нанесением износостойкого вакуумно-дугового покрытия.

- технологических рекомендациях по назначению режимов формирования на поверхности твердосплавных пластин износостойкого комплекса, состоящего из легированного сплавом М^оШгг^ приповерхностного слоя и вакуумно-дугового покрытия (Т1А1)1Ч.

определении технологических условий, при которых применение твердосплавных пластин, модифицированных при комбинированной обработке

наиболее благоприятны для резания стали 45, жаропрочного сплава ЭИ698 и синтеграна.

Достоверность результатов подтверждается тем, что работа базируется на теориях резания и материаловедения, распространенных на универсальный инструмент из твердых сплавов. Достоверность полученных данных подтверждена стойкостными испытаниями, проведенными в лабораториях университета «Станкин».

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

В соответствии с формулой специальности в ней проводятся экспериментальные исследования процессов физико-технической обработки твердого сплава при помощи низкоэнергетического сильноточного электронного пучка с наложением нанесения покрытия при помощи магнетронного распыления. Определены параметры оборудования, обеспечивающего повышение режущих свойств инструмента за счет оптимизации процесса комплексной поверхностной обработки.

Реализация работы. Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» при преподавании дисциплины «Проектирование оборудования для обработки концентрированными потоками энергии».

Апробация работы. Результаты работы доложены и сбсуждены на VII и VIII Международных научно-технических конференциях «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, КВЦ «Сокольники», 2013, 16-18 Апреля; 2014, 15-17 Апреля) и 11-й Международной конференции «Пленки и Покрытия - 2013» (Санкт-Петербург, Издательство Политехнического Университета 2013, 6- 8 Мая).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 90 наименований; содержит 120 страниц машинописного текста, 3 таблицы и 37 рисунков.

Глава 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ.

ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности изнашивания твердосплавного инструмента

Несмотря на высокую стойкость к изнашиванию, твердосплавные пластины все-таки подвержены износу и поломкам. При этом на поломки, скалывание и выкрашивание режущего клина приходится до 80% случаев отказов. Кроме того в процессе производства твердых сплавов возникает ряд достаточно часто встречающихся дефектов структуры. Твердые сплавы производятся методами порошковой металлургии - спеканием смесей высокодисперсных частиц химических соединений с порошком металлической связки. Технология порошковой металлургии практически доведена до совершенства, но все твердые сплавы имеют один недостаток - наличие остаточной микропористости (концентраторов внутренних напряжений и центров зарождения хрупких трещин, ограничивающих возможности повышения эксплуатационных характеристик инструмента, зависящие как от режима спекания, так и от характеристик спекаемых материалов) [10].

В результате широких опытных наблюдений и научно-исследовательских работ выявлены особенности повреждений инструментов [11]. Превалирующий износ обычно появляется на задней или на передней поверхности инструмента, что связано с условиями резания и свойствами инструментального и обрабатываемого материалов. По передней поверхности инструмент изнашивается следующим образом: на некотором расстоянии от режущей кромки образуется лунка с постепенным увеличением ее размеров. Когда изнашивается задняя поверхность инструмента, образуются параллельные продольные углубления (проточины), как правило, начинающиеся от режущей кромки и расположенные вдоль линии действия силы резания. В износе инструмента образование проточин проявляется наиболее часто. Износы на любых по-

верхностях инструмента приводят к изменению геометрии резания, искажению режущей кромки. Увеличивается шероховатость обработанной поверхности, изменяются размеры обрабатываемой детали, превышаются допустимые показатели силы резания и температуры.

Многочисленные исследования в области обработки металлов резанием показывает, что основными видами изнашивания режущего инструмента являются адгезионный и абразивный, причем им сопутствуют явления, связанные с усталостными и диффузионными процессами. В зависимости от условий резания обычно один из видов изнашивания становится преобладающим, хотя при этом могут реализовываться и другие.

Процессами изнашивания инструмента при резании занимались многие ученые (A.A. Аваков, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макаров, Н.В. Талантов, П.И. Ящерицын и др.). Эксперименты показывают, что при адгезионном изнашивании при резании [12] изнашивание происходит за счет вырванных частиц материала с поверхности обрабатываемой детали. Эти вырванные частицы переносятся на поверхность инструмента и образуют на ней наросты с достаточно высокой твердостью. В то же время частицы переносятся и обратно с поверхности инструмента поверхность обрабатываемого материала. Во время резания образующиеся наросты нестабильны и непрерывно убираются вместе с материалом детали, оставляя углубления в местах образования. Наросты, как правило, образуются непосредственно у режущей кромки резца, именно здесь имеет место наиболее сильное схватывание.

Для режущего инструмента, работающего при значительных напряжениях на поверхности, существенным является не только, а в некоторых случаях - даже не столь высокая твердость поверхностного слоя, сколько пластичность. Хрупкий инструмент не работоспособен при динамических нагрузках, а они неизбежны в реальных процессах резания. Скалывание частичек высокой твердости с поверхности, подвергающейся значительным контактным напряжениям - это процесс образования абразивов, которые интенсивно разрушают поверхность детали [13].

Достаточно изучено абразивное изнашивание режущего инструмента и его особенности [14]. Повреждения при абразивном изнашивании проявляются в виде царапин или канавок на рабочих поверхностях режущей части резца. Анализ типов повреждений и их причин позволил обнаружить следующие особенности.

Повреждения могут образоваться в результате механического воздействия весьма твердых включений (карбидов и оксидов), имеющихся в структуре обрабатываемой заготовки. В процессе резания твердые включения будут работать, как абразивный инстумент, внедряясь в поверхность инструмента и царапая ее. Если твердость режущей части резца снижается из-за тепла, то происхождение царапающего действия увеличивается. Разумеется, не последнюю роль здесь играют размеры твердых включений и характер их распределения.

В то же время повреждения могут образоваться в виде царапин, канавок, вытянутых бороздок после действия на поверхность инструмента разделившихся, имеющих повышенную твердость, сбежавшихся их фрагментов или наростов. Эти частицы, приобретшие в результате деформационного упрочнения твердость существенно превышающую твердость внешних слоев режущей поверхности инструмента, тем более переживающих при резании увеличенный нагрев, также действуют, как абразив.

Определенные вклады происхождения адгезионного и абразивного изнашивания можно предполагать примерно равными. При этом причина адгезионного изнашивания - адгезионное схватывание, возникающее за счет ковалентной, металлической, ионной, и межмолекулярной связей,у абразивного изнашивания - адгезионное схватывание с созданием разделяющихся царапающих твердых частиц и царапание резца включениями в обрабатываемой заготовке, какие всегда имеются.

Таким образом, увеличение твердости инструмента и снижение коэффициента трения при резании благоприятно сказываются на износостойкости инструмента.

1.2 Методы поверхностного упрочнения режущих элементов из твердосплавных инструментов

Автоматизация технологических процессов, резание металлов прогрессивными методами обработки, внедрение новых инструментальных материалов и сплавов в машиностроении появились обор новых нерешенных задач и проблем в области металлообработки резанием. Одной из этих задач является недостаточноть прочности твердосплавных резцов, которая становится более актуальной за счет широкого применения высокопроизводительных режущих сплавов, у которых стойкость зачастую ограничивается условием хрупкого разрушения рабочей поверхности.

Твердосплавные резцы широко используют в машиностроении, так как они обеспечивают высокую производительность современногооборудования металлообработки за счет повышение скорости обработки резанием до 5 раз по сравнению с инструментами быстрорежущих сталей. Твердые сплавы, имеющие высокую твёрдость и теплостойкость дают возможность обрабатывать резанием детали из закалённых сталей и труднообрабатываемых конструкционных заготовок [15]. Однако, твердые сплавы имеют недостаточную исходную механическую прочность, которая уменьшается в процессе изготовления и операции режущих инструментальных средств. Все это может приводить к досрочному повреждению режущих частей инструментов, изготовленных из твердых сплавов.

Для существенного повышения износостойкости и прочности твердосплавных резцов применяют традиционные и новые технологическние процессы, такие как высокотехнологичные физико-химические методы поверхностного упрочнения. Развитием методов модифицирования инструментальных материалов занимались российские учёные Верещака A.C., Григорьев С.Н., Кремнев Л.С., Барвинок В.А., Андреев A.A., Табаков В.П., Аксенов И.И. и др.

При обработке поверхности твердых сплавов, механическая, световая

энергии и энергия заряженных частиц необратимо превращают в тепловую. При этом часть энергии может выделяться на поверхностное снятие, часть -необратимо теряется в виде теплоты, а часть - превращается в поглощенную скрытую энергию и остается в тонкой поверхности детали в составе дефектов и структурных изменений, которые приводят в конечном этапе к упрочнению меттала. Статус модифицированных упрочненных поверхностей оценивается размером, знаком и природой распределения остаточных напряжений, изменениями в кристаллической структуре, диапазоном дефектных составляющих сплав фаз и др.

Сейчас много исследований ведется в области исследования процессов, позволяющих к улучшитьпрочностные и пластические характеристики материалов, и оптимизации режимов упрочняющей обработки для получния комплексных свойств поверхности, обладающей указанными характеристиками, поскольку современные инструментальные материалы чаще производятся с упрочненными режущими частями или нанесенными покрытиями на рабочих поверхностях.

Влияние методов упрочнения поверхностного слоя на контакт взаимодействия резца с обрабатываемой деталью комплексно. Эффективность применяемых методов упрочнения, характерных для большинства способов упрочняющей поверхностной обработки режущего инструмента, определяют следующие факторы: снижение температуры, сил резания и коэффициента трения, улучшение прочностных характеристик материала основы, увеличение теплостойкости и твердости, уменьшение схватываемости с обрабатываемой деталью и др. В основе методов упрочнения стоит создание на рабочих гранях резца дополнительной вторичной структуры(покрытие на основе карбидов, нитридов, оксидов металлов), что позволяет получить повышение прочности адгезионной взаимосвязи покрытия с инструментальной основой, формирование заслона для взаимного растворения инструментального и обрабатываемого материалов, предохранение инструмента основы от эффекта высоких температур резания из-за теплоизоляционного воздействия покрытий и пр.

Таким образом, выбор метода поверхностной модификации инструментального материала, условий и параметров его реализации для повышения эксплуатационных свойств представляет собой многофакторную задачу, при которй очень важно решить вопрос рационального совмещения режимов работы резца с режимами его упрочняющей поверхностной обработки, создающей оптимальный комплекс свойств поверхности, участвующей в контактном взаимодействии при резании [16].

Наиболее эффективным путем формирования «идеальных свойств» инструментального материала является применение современных методов поверхностной модификации свойств материала. К таким методам относятся: химико-термическая обработка, механическое и физическое упрочение и физико-химическая обработка, нанесение износостойких покрытий, комбинированная обработка, сочетающая физическое и химико-термическое воздействие с нанесением износостойких покрытий.

В настоящее время используется несколько основных способов улучшения свойств инструментальных материалов: механическое, химико-термическое и ультразвуковое воздействие, нанесение износостойких покрытий, а так же физико-химическое упрочнение посредством обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ).

Рассмотрим эти наиболее распространенные способы упрочнения.:

1.2.1 Механическое упрочнение

В основе метода механического упрочнения лежит использование поверхностно пластических деформаций рабочих поверхностей инструмента в ходе обкатки роликами, дробеструйной обработки, вибрационной обработки, а так же ультразвукового обкатывания, алмазного шлифования и т.п. [17].

Методы поверхностного пластического деформирования (ППД): дробеструйной [18,19] и вибрационной [20,21] обработкой используются для улучшения рабочих свойств твердосплавного резца, который разрушается в

значительной мере из-за усталостных явлений. Дробеструйная обработка резцов значительно снижает количество их поломок и в 2,0-2,5 раза увелививает суммарную стойкость резца. Как правило, сплавы, используемые в горнодобывающей промышленности обязательно подвергаются вибрационной обработке. При этом виброабразивная обработка наиболее эффективно действует с использованием дополнительной упрочняющей операции в среде, где применяются твердосплавные шарики в качестве наполнителя. В этом случае воздействие упрочненющей обработки связано с созданием сжимающих напряжений и пластической деформацией составляющих сплав фаз. Важным достоинством вибрационного метода является универсальность удара упрочняющего агента, что обеспечивает равномерное упрочнение детали сложной формы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Йе Мин Со, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адаскин, А. М. Современный режущий инструмент / А. М. Адаскин, П. В. Колесов.- 2011.-224 с.

2. Григорьев, С. Н. Модификация структуры и свойств быстрорежущей стали путём комбинированной вакуумно-плазменной обработки: Металловедение и термообработка металлов / С. Н. Григорьев, А. С. Метель, С. В. Фёдоров.-2012. №1.8-12 с.

3. Y. Sun. Finite element analysis of plastic deformation of various TiN coating/substrate systems under normal contact with a rigid sphere: Thin Solid Films/Y. Sun, A. Bloyce and T. Bell- 1995, v. 271, p. 122-131.

4. Кудря, H. А. Современные направления совершенствования твердых сплавов для режущего инструмента: Станки и инструмент / H.A. Кудря, Э.Ф. Эйхманс. - 1986 - №6.

5. Багаутдинов, А. Я. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / А. Я. Багаутдинов, Е. А. Будовских, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов.- Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007.- 301 с.

6. Григорьев, С. Н. Комплексное модифицирование поверхности карбидного инструмента легированием NbHfTi с последующим нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N: Трение и износ / С.Н. Григорьев, C.B. Фёдоров, М.Д. Павлов, A.A. Окунькова, Йе Мин Co.- Том 34,№1, 2013, 599605 с.

7. Андреев, А. А. Вакуумно-дуговые покрытия / А. А. Андреев, Л. П. Саблев, С. Н. Григорьев,- Харьков: ННЦ ХФТИ, 2010.-317 с.

8. Ивченко, Т. Г. Повышение износостойкости деталей машин технологическими методами: Студенческий научно-технический журнал / Т. Г. Ивченко, Мохамед Моаз,- Донецк: ДонНТУ, 2008. - № 9, 28 с.

9. Кабанов, А. В. Патент на изобретение №2501865, Способ упрочнения изделий из твердых сплавов / А. В. Кабанов, С. В. Федоров, А. А. Вислагузов, Йе Мин Со, М. Д. Павлов.-№ 2012134117, заявлено 09.08.2012.

10. Бурков, П. В. Исследование влияния технологии изготовления твердосплавных вставок на качество горного инструмента: Горный информационно-аналитический биллютень / 2010, № 12, 125 - 130 с.

П.Макаров, А. Д. Износ и стойкость режущих инструментов. - М.: Машиностроение /1978- 264 е., Лоладзе, Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.-М.: Машиностроение / 1982.- 320 с.

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

13. Терёшин, М. В. Оперативное регулирование и многопараметрическое диагностирование процесса резания / Великий Новгород: РИС НовГУ, 2012.-264 с.

14. Талантов, Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. - М.: Машиностроение / 1992. - 240 с.

15. Tool and Manufacturing Engineers Handbook edited by W. H. Cubberly, Ramon Bakerjian, Society of Manufacturing Engineers.

16. Яресько, С. И. Физические и техногогические основы упрочнения твердых сплавов: монография / С. И. Яресько - Самара: изд-во Самарского научного центра РАН, 2006. - 244 с.

17. D. Kuhlmann-Wilsdor. Theory of Plastic Deformation: Materials Science and Engineering A / July 1989, voll 13, p. 1-42.

18. Лошак, M. Г. Повышение прочностных характеристик сплавов дробеструйной обработкой: Проблемы прочности / М. Г. Лошак, Л. И. Александрова, Ф. П. Смагленко и др.- 1976 - №8, 97-99 с.

19. Хает, Г. Л. Рентгенографическое изучение эффекта дробеструйного упрочнения металлокерамических твердых сплавов: Резание и инструмент / Г. Л. Хает, Б. А. Брусиловский, В. К. Заболоцкий, Л. Г. Хает.-1974 - вып.9, 33-37 с.

20. Кудря, Н. Ф. Повышение стойкости бурового инструмента способом вибрационной объемной обработки: Цв. металлургия / Н. Ф. Кудря, В. А. Повидайло, В. И. Кармалюк и др.- 1971 - №20, 5-8 с.

21. Повидайло, В. А. Исследование влияния работы вибромашин на производительность процесса виброобработки изделий из твердых сплавов: Вибрационное шлифование отделка и упрочнение / В. А. Повидайло, В. И. Кармалюк.- Ростов-на-Дону: изд. РИСХМ - 1968 - 27-30 с.

22. Чапарова, И. Н. Исследование изменений в структуре поверхностного слоя вольфрамокобальтовых сплавов после вибрационной объемной обработки: Твердые сплавы / И. Н. Чапарова, А. В. Вараксина, А. И. Чувилин и др.- сб. тр. ВНИИТС - М: Металлургия - 1973 - №12, 59-64 с.

23. Хает, Л. Г. Прочность режущего инструмента. - М: Машиностроение / 1975 - 168 с.

24. Креймер, Г. С. Прочность твердых сплавов/ Г. С. Креймер. - М: Металлургия / 1971 - 248 с.

25. Гладких, Л. И. Остаточные напряжения в поверхностном слое твердосплавных пластинок после алмазного шлифования / Л. И. Гладких, Б. М. Свердлова, М. Я. Фукс.- ФХММ - 1968 - Т.4, №6, 697-702 с.

26. Семко, М. Ф. Рентгенографическое исследование эпюры остаточных напряжений в твердосплавных пластинках после шлифования алмазными кругами: Станки и режущие инструменты / М. Ф. Семко, Б. М.Свердлова, Л.И. Гладких и др.- 1968 - вып.7, 40-46 с.

27. Фукс, М. Я. Состояние поверхностного слоя материалов после алмазной и эльборовой обработки: Вища шк / М. Я. Фукс, Н. К. Беззубенко, Б. М. Свердлова.- Киев: 1979- 160 с.

28. Смагленко, Ф. П. Остаточные напряжения в твердых сплавах группы ВК после алмазного шлифования: Сверхтвердые материалы / Ф. П. Смагленко.-1981 -№2,61-64 с.

29. Лошак, М. Г. Упрочнение твердых сплавов: Наукова думка / М. Г. Лошак, Л. И. Александрова.- Киев: 1977 - 148 с.

30. Лошак, М. Г. Прочность и долговечность твердых сплавов: Наукова думка / М. Г. Лошак .- Киев: 1984 - 328 с.

31.Вальчук, В. П. Пат.2009025. Российская Федерация Способ химико-термической обработки твердосплавного инструмента: Акционерное общество "Дока" / В. П. Вальчук.- № 5025673/02; заявл. 27.12.1991; опубл. 15.03.1994.

32. Оганян, Г. В. Повышение надежности твердосплавных инструментов путем ионного азотирования и нанесения износостойкого покрытия: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.03.01 / Г. В. Оганян. - М., Моск. гос. технол. ун-т "Станкин", 1994.- 25 с.

33. Муха, И. М. Упрочнение твердых сплавов ультразвуковыми колебаниями: Порошковая металлургия / И. М. Муха, В. И. Винниченко.-1983 - №8, 43-46 с.

34. Белоцкий, А. В. Влияние ультразвукового воздействия на прочностные свойство вольфрамокобальтовых твердых сплавов: Проблемы прочности / А. В. Белоцкий, И. М. Муха, В. И. Винниченко,- 1984 - №11, 102-104 с.

35. Афанасенков, М. А. Современные методы повышения работоспособности режущего инструмента: Инструмент и технологии / М. А. Афанасенков.-2012, №38, вып.4, 1-7 с.

36. Мелихов, С. Г. Методы нанесения упрочняющих покрытий: Метод, указания к курсовому и дипломному проекту / С. Г. Мелихов.- Моск.гос.ин-т Электроники и математики - 2004 - 28 с.

37. Локтев, Д. Методы нанесения износостойких покрытий и оборудование для их реализации: ж-л Стружка / Д. Локтев.- декабрь 2004 г.

38. Кузьмичев, А. И. Магнетронные распылительные системы: Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления / А.И. Кузьмичев, К. Аверс.-2008, -244 с.

39. S. Schonjahn. Enhanced adhesion through local epitaxy of transition-metal nitride coatings on ferritic steel promoted by metal ion etching in a combined cathodic arc/unbalanced magnetron deposition system: Journal of Vacuum Science Technology / S. Schonjahn, L.A. Donohue, D.W. Levis, W.-D. Munz, R.D. Twesten, I. Petrov 2000, v. A 18(4), p. 1718 - 1723.

40. Андреев, А. А. Вакуумно-дуговые покрытия / А.А. Андреев, Л.П. Саблев, С.Н. Григорьев.- Харьков: ННЦ ХФТИ, 2010. - 318 с.

41. Hatschek R. L. Coatings: revolution in HSS tools: American Mashinist / R.L. Hatschek.-March 1983, Special report 752, p. 129 - 144.

42. Верещака, А. С. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: «Машиностроение» / А.С. Верещака, И.П. Третьяков.- 1986, 192 е.; Верещака, А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: «Машиностроение» / А. С. Верещака.-1993,336 с.

43. Титов, В. Покрытия для режущего инструмента: Состояние вопроса и перспективы / В. Титов,- Журнал «НМ-оборудование», май 2004 г.

44. Максимов, М. Износостойкие нанопокрытия - революция в металлообработке [Электронный ресус]: Портал Обработка металла / М. Максимов.- http://www.ostmetal.info, 2010 г.

45. Ferris S. D. eds (1979) «Laser-Solid Interactions and Laser Processing» (AIP No 50) [Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками-Москва«Машиностроение» / Ferris S. D, Leamy Н. J, Poate J. М- 1987- 24c.

46. White С. W. eds. (1980). «Laser and Electron-Beam Processing of Materials»: Academic Press / White C. W, Peercy P.- New York.

47. Gibbons J. F. eds. (1980). «Laser and Electron-Beam Solid Interactions and Materials Processing» / Gibbons J. F., Hess L. D, Sigmon Т.- Elsevier_ North-Holland, New York.

48. Poate J. M. eds. (1982) «Laser Annealing of Semiconductors»: Academic Press / Poate J. M, Mayer J. W.- New York.

49. Попилов, Д. Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов,- М.: Машиностроение / Д.Я. Попилов,-1982.

50. Мрочек, Ж. А. Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин - Мн.: Технопринт / Ж.А. Мрочек, Л.М. Кожуро, И.П. Филонов.- 2000 - 268с.

51. Кудря, Н. А. Современные направления совершенствования твердых сплавов для режущего инструмента: Станки и инструмент / Н. А. Кудря, Э. Ф. ЭйхмансЮ.-1986 - №6.

52. Углов, В. В. Модификация поверхностных слоев твердых сплавов компрессионными плазменными потоками: Сборник 9-ая Международная конференция «Взаимодействие излечений с твердым телом» / В.В. Углов.-2011 г., Минск. Беларусь, Тарасова, Т. В. Исследование процессов лазерного легирования: Наука и образование / Т.В.Тарасова.- 2012, №03, 116 с.

53. Машков, Ю. К. Физическое материаловедение / Ю.К.Машков.- Омск: ОмГТУ/2012. - 192 с.

54. Battaglin G. (1981) In «Laser and Electron-Beam Solid Interactions and Materials Processing», J F Gibbons, L D Hess, T W Sigmon, p 615, North-Holland, New York.

55. Поут, Дж.М. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками, "Машиностроение" / Дж.М.Поут 1987.

56. Астапов, А. И. Формирование поверхностного слоя при электроискровом легировании вольфрамсодержащих твердых сплавов: Дисс. к.ф-м.н. Хабаровск / А.И. Астапов.- 2009.

57. Осколкова, Т. Н. Упрочнение поверхности карбидовольфрамового твердого сплава способом электровзрывного легирования: Современные наукоемкие технологии / Т.Н. Осколкова, Е.А. Будовских.- №7, 2010, 146-148 с.

58. Шматов, А. А. Модифицирование твердого сплава методом ТГХО: Ползуновский вестник / А.А. Шматов, О.Г. Девойно, Ю.О. Лисовская,- 1/12012,359-364 с.

59. Мышкин, Н. К. Трение, смазка, износ.-М.: ФИЗМАТ ЛИТ / Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец.-2007. - 368 с.

60. Y. Sun. Finite element analysis of plastic deformation of various TiN coating/substrate systems under normal contact with a rigid sphere: Thin Solid Films / Y. Sun, A. Bloyce and T. Bell.-1995, v. 271, p. 122 - 131.

61. M.Bader. Properties of duplex treated (gas-nitriding and PVD-TiN, Cr2N) low alloy steel: Surface and Coatings Tecnollogy / M.Bader, H.-J.Spies, K.Hock, E.Broszeit, H.-J. Schroder 1998, v. 98, p.891-896.

62. Фадеев, В. С. Научные основы разработки и получения слоистых композиционных материалов на поверхности твердых сплавов и оксидной керамики для повышения работоспособности режущего инструмента: Дис. ... д-ра техн. наук. Хабаровск / В. С.Фадеев. - 2005.

63. Кадыржанов, К. К. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. М.: Изд-во МГУ / К.К Кадыржанов, Ф.Ф. Комаров, А.Д. Погребняк, B.C. Русаков, Т.Э. Туркебаев.-2005. 640 с.

64. Yoshiwara S. Method for surface-alloying metal with a high-density energy beam and an alloy metal: United States Patent and Trademark Office Granted Patent / Yoshiwara S., Kawanami Т.- 1987,-Patent No. US4750947.

65. Ozur G. E. Production and application of low-energy, high-current electron beams: Laser and Particle Beams / Ozur G. E., Proskurovsky D. I., Rotshtein V. P., Markov А. В.-2003.-V. 21.-P. 157- 174.

66. Каталог Sandvik MKTC твердосплавные пластины, Россия, 2013г.

67. Углов, В. В. Структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях твердого сплава в результате воздействия сильноточными электронными пучками: «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования / В. В. Углов, Н. Н. Коваль, А. К. Кулешов, Ю. Ф. Иванов, А. Д. Тересов, Е. А. Солдатенко.-2011, № 4, 50-58 с.

68. Зеликман, А. Н. Металловедение вольфрама: Вольфрам / А.Н. Зеликман, JI.C. Никитина, Ю. М. Королев, В. С. Фастовский.- М 1978.

69. Портной, К. И. Структура и свойства композиционных материалов / К.И. Портной.- 1979, 256 с.

70. Андриевский, Р. А. Могут ли консолидированные наноматериалы использоваться в экстремальных условиях?: Композиты и структуры / Р.А.Андриевский.- № 4, 2009.- 35-41 с.

71. Марков, А. Б. Установка РИТМ-СП для формирования поверхностных сплавов: Приборы и техника эксперимента / А. Б. Марков, А. В. Миков, Г. Е. Озур, А. Г. Падей,- 2011. № 6. 122-126 с.

72. Доклад «Основы технологии и аппаратура для электронно-пучковой полировки металлических поверхностей сложной формы с возможностью формирования поверхностных сплавов», представленный на научно-практической конференции «Инновации РАН - 2009». Томск. - 18-20 Ноября 2009. - 357-362 с.

73. Proskurovsky I. Physical Foundations for Surface Treatment of Materials with Low Energy, High Current Electron Beams: Surface and Coatings Technology / Proskurovsky I., Rotshtein У. P., Ozur G. E., Ivanov Yu. F., and Markov A. B.-2000 (125), no. 1—3, March, p.49—56.

74. Вахний, E. В. «Моделирование массопереноса в металлических материалах при облучении ионными пучками»: диссертация к.т.н., Омск / Е.В. Вахний 2007.

75. Овчаренко, В. Е. Закономерности нагрева, наноструктурной модификации и упрочнения поверхностного слоя металлокерамического сплава при импульсном электронно-пучковом облучении: Известия Томского политехнического университета / В. Е. Овчаренко, Ю. Ф. Иванов.-2008 (313), №3, 88—92 с.

76. Персов, Б. 3. Расчет и проектирование экспериментальных установок: Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика» / Б. 3. Персов.-Институт компьютерных исследований, 2006. - 348 с.

77. Platit, Каталог 2012.

78. Козочкин, М. П. Особенности вибраций при резании материалов / М.П. Козочкин,- СТИН, № 1, 2009. С. 29-35.

79. Кокарев, В. И. Исследование процесса сверления синтеграна твердосплавными сверлами с комплексным модифицированием режущей части: Станкиновский вестник / В.И. Кокарев, C.B. Федоров, А.К. Велис, Йе Мин Co.-№3.2013.

80. Дворник, M. И. Разрушение твердого сплава ВК8 термоударом: Механика композиционных материалов и конструкций / М. И. Дворник, А. В. Зайцев.-т. 15, №1,2009, 52-58 с.

81. Углов, В. В. Структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях твердого сплава в результате воздействия сильноточными электронными пучками: «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования»/В. В. Углов, Н.Н.Коваль, А.К. Кулешов, Ю. Ф. Иванов, А. Д. Тересов, Е. А. Солдатенко.- 2011, № 4, 50-58 с.

82. Писчасов, Н.И. Модифицирование структуры и свойств твердых сплавов системы WC-Co сильноточными пучками заряженных частиц: Вестник Омского университета/ Н.И. Писчасов, A.B. Николаев.-1996, Вып.2, 39-43 с.

83. Ozur G. E. Production and application of low-energy, highcurrent electron beams: Laser and Particle Beams / Ozur G. E., Proskurovsky D. I., Rotshtein V. P., Markov А. В.- 2003, v.21, p.157-174.

84. Иванов, Ю. Ф. Механизмы упрочнения поверхностного слоя сплава TiC-NiCrAl при облучении электронным пучком: Известия Томского политехнического университета / Ю.Ф. Иванов, Ю.А. Колубаева, В.Е. Овчаренко 2008, №3, 93-95 с.

85. Мержанова, А. Г. Концепция развития самораспространяющегося высокотемпературного синтеза как области научно-технического прогресса: под ред. Черноголовка, «Территория» / А. Г. Мержанова, 2003, 368 с.

86. Власов, В. И. Процессы и режимы резания конструкционных материалов: Издательство «ИТО» / В.И. Власов.- Москва: 2012 г.

87. Рогов, В. А. Современные машиностроительные материалы и заготовки. -М: «Академия»/ В.А. Рогов, Г.С. Позняк 2008. 336 с.

88. Барт, В. Е. Опыт применения синтеграна в машиностроении: [ред.] / В. Е. Барт, Г. С. Санина,-1993 г., Т. 1. стр. 15-17.

89. Алентьев, А.Ю. Связующие для полимерных композиционных материалов / А.Ю.Алентьев, М.Ю. Яблокова.- 2010.

90. Ананьин, C.B. Композиционные материалы: Уч. Пос/ C.B. Ананьин.- 2007.