Повышение стойкости твёрдосплавного инструмента при точении крупногабаритных деталей энергетического машиностроения на основе применения наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Лыткин Дмитрий Николаевич

• Лыткин Дмитрий Николаевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Лыткин Дмитрий Николаевич

Введение

Глава 1 Анализ исследований в области повышения эффективности процессов резания конструкционных материалов, применяемых в энергетическом машиностроении

1.1 Анализ особенностей резания конструкционных материалов, используемых в энергетическом машиностроении

1.2 Анализ свойств инструментальных материалов, наиболее широко применяемых для обработки изделий энергетического машиностроения

1.3 Анализ исследований в области разработок и использования функциональных покрытий для режущих инструментов

1.4 Выбор конструкционного материала, использующегося в энергетическом машиностроении, для проведения лабораторных испытаний

1.5 Выбор инструментального материала для проведения лабораторных испытаний при обработке материалов энергетического машиностроения

1.6 Выводы

Глава 2 Выбор твердосплавной основы для нанесения наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий

2.1 Выявление степени влияния твердосплавной основы на износостойкость инструмента с покрытием

2.2 Выбор твердосплавной основы для нанесения наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий

2.3 Выводы

Глава 3 Разработка и исследование наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий для обработки материалов энергетического машиностроения

3.1 Оборудование для нанесения наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий

3.2 Разработка архитектуры и состава многослойно-композиционных покрытий для обработки материалов энергетического машиностроения

3.3 Оборудование и методы проведения исследования свойств наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий

3.4 Исследование химического состава и фазово-структурный анализ разработанных покрытий

3.5 Исследование основных физико-механических свойств разработанных покрытий

3.6 Выводы

Глава 4 Исследование режущих свойств, силовых параметров и контактных процессов при обработке материалов энергетического машиностроения твердосплавным инструментом с наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями

4.1 Оборудование и методы проведения исследования режущих свойств инструмента с наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями

4.2 Исследование процесса деформирования срезаемого слоя и контактных процессов

4.3 Исследование силовых параметров при обработке стали 09Г2С

4.4 Исследование износа инструмента при резании стали 09Г2С

4.5 Исследования тепловых явлений в зоне резания

4.6 Производственная апробация полученных результатов и испытания режущего инструмента

4.7 Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А. Дифракционные спектры Zr-ZrN-(ZrNbCrAl)N

Приложение Б. Акт внедрения результатов работы на ПАО «ЗиО-

Подольск»

Приложение В. Патент на изобретение, полученный на многослойно-композиционное покрытие для режущего инструмента

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение стойкости твёрдосплавного инструмента при точении крупногабаритных деталей энергетического машиностроения на основе применения наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Энергетическое машиностроение играет важнейшую роль в развитии базовых отраслей отечественной промышленности, обеспечивая оборудованием и аппаратурой высокотехнологичные предприятия химической и нефтехимической промышленности, топливно-энергетического комплекса, металлургии и других отраслей. Совершенствование и создание новых технологических процессов изготовления ответственных деталей энергетического машиностроения (ЭМ), способствующих повышению качества поверхности и обеспечению требуемых конструкторско-геометрических параметров деталей в процессе обработки, является динамично развивающимся направлением, работы в рамках которого активно ведутся учеными и специалистами в России и за рубежом.

Особое место среди ответственных деталей ЭМ, изготовление и обработка которых сопряжены со значительными технологическими сложностями и повышенными материально-техническими затратами, являются крупногабаритные корпусные элементы в виде обечаек реакторов и парогенераторов, трубных досок, роторов генераторов и др., выполняемых из конструкционных сталей типа 15Х2НМФА и 09Г2С. Диаметр указанных деталей составляет 2000...5000 мм, а их длина может превышать 5000 мм. Производственный опыт показывает, что операционное время механической обработки крупногабаритных деталей ЭМ в определенных случаях может достигать 8 суток. Контроль качества изготовления таких изделий, как правило, производится с использованием рентгеновских и ультразвуковых методов, что требует определенного качества поверхностного слоя, например, шероховатость должна быть не более 5 мкм по параметру Яа.

В таких условиях для обеспечения требуемого качества поверхности, точности формы и размеров обрабатываемых деталей, а также для

исключения формирования рисок (борозд) на поверхности при смене инструмента, возникает необходимость обработки всей поверхности заготовки за один технологический проход (установ инструмента), что требует в течении длительного времени безотказной работы станочного оборудования, используемых приспособлений и повышенной стойкости режущего инструмента. Практика показывает, что именно от эксплуатационных показателей режущего инструмента, изготавливаемого в основном из твердых сплавов, в первую очередь зависит эффективность процесса механической обработки крупногабаритных деталей типа обечаек реакторов, трубных досок и др.

Для решения отмеченных задач, наряду с совершенствованием объемных свойств инструментальных материалов (ИМ) сегодня разрабатываются и внедряются в промышленное производство методы нанесения покрытий для управления поверхностными свойствами ИМ. Поверхностные свойства ИМ с нанесёнными покрытиями обладают большими значениями микротвердости, теплостойкости, физико-химической пассивностью к обрабатываемому материалу. Изменение поверхностных свойств ИМ приводит к повышению эксплуатационных показателей инструмента.

В промышленном нанесении износостойких покрытий на твердосплавный режущий инструмент применяются химическое осаждение, основанное на термохимических реакциях, и физические процессы осаждения покрытий, основанные на испарении плазмой [1-15]. Одними из хорошо себя зарекомендовавших методов формирования многофункциональных покрытий являются технологии физического осаждения испаряемого материала из плазмы вакуумно-дугового разряда, которые позволяют с высокой производительностью и воспроизводимостью формировать покрытия различных конструкций и составов. Многофункциональные покрытия, оптимизированные для конкретных условий эксплуатации (вида обрабатываемого материала, стратегии и

режимов механической обработки и др.), позволяют значительно снизить интенсивность фрикционного и адгезионного взаимодействия на контактных площадках инструмента, снизить составляющие силы резания, перераспределить и уменьшить тепловые потоки в зоне резания, снизить склонность ИМ к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом.

На практике использование режущих инструментов с многофункциональными покрытиями позволяет решить чрезвычайно важные проблемы для машиностроительного производства [1], [2], [9], [12], [13], среди них:

- повышение производительности обработки заготовок из различных конструкционных материалов;

- повышение периода стойкости режущего инструмента (времени работы инструмента до отказа), что позволяет существенно экономить дорогостоящие материалы, используемые при производстве режущих инструментов, и, соответственно, сократить затраты на инструмент;

- повышение качества и точности обработки за счет снижения контактных напряжений, улучшения теплового состояния инструмента, снижения склонности инструментального материала к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом.

Кроме того, использование инструмента с многофункциональными покрытиями, которые, по сути, представляют собой твердые смазки, способствует возможности внедрения современных процессов обработки с минимальным количеством СОЖ (так называемые технологии MQL -minimum quantity lubrication), имеющих большой потенциал при обработке широкого спектра материалов или полный отказ от их применения (сухое резание).

В связи с изложенным выше, решаемая в настоящей диссертационной работе проблема повышения периода стойкости режущего инструмента при токарной обработке крупногабаритных деталей ЭМ из конструкционных

сталей типа 09Г2С на основе выбора целесообразной твердосплавной инструментальной основы в комплексе с разработкой и применением рациональных наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий по составу и архитектуре, является актуальной.

Вопросы нанесения покрытий и модификации поверхностных свойств ИМ на основе твердых сплавов для повышения эксплуатационных показателей режущего инструмента широко изучаются в России и за рубежом. Данной теме посвящено большое количество исследований, результаты которых опубликованы в монографиях, авторитетных научных журналах и трудах международных конференций. Среди наиболее авторитетных исследований в указанной области можно выделить основополагающие работы отечественных ведущих ученых (Верещака А.С., Табаков В.П., Кабалдин Ю.Г., Григорьев С.Н., Аникеев А.И. Ташлицкий Н.И. и ряда других), а также зарубежных признанных специалистов (Moll Е., Okumiya М., Knotek О., Bouzakis K. и некоторых других).

При всем многообразии работ в области нанесения покрытий на твердосплавный инструмент и увеличивающимся с каждым годом количестве выполняемых исследований, объект изучения настоящей работы не был в фокусе внимания специалистов, а вопросы разработки специализированных покрытий и комплексной оценки их влияния на силовые параметры и контактные процессы в зоне резания исследованы недостаточно.

Объектом исследований настоящей работы являются процессы механической обработки твердосплавными пластинами крупногабаритных деталей энергетического машиностроения.

Предметом исследования являются перспективные

наноструктурированные многослойно-композиционные покрытия, формируемые на твёрдосплавном инструменте, и оценка их влияния на изменение силовых параметров, контактных процессов в зоне резания и

стойкость инструмента при точении крупногабаритных деталей энергетического машиностроения из конструкционных сталей типа 09Г2С.

Целью работы является повышение периода стойкости режущего инструмента при механической обработке крупногабаритных деталей энергетического машиностроения путем рационального сочетания твердосплавной инструментальной основы и разработанных наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий, а также моделирования силовых параметров и контактных процессов в зоне резания для прогнозирования динамики изнашивания инструмента в процессе эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие научные задачи:

- исследовать особенности и кинетику изнашивания гаммы промышленно выпускаемых марок твердых сплавов и провести всесторонний анализ влияния последующего нанесения типовых составов многослойно-композиционных покрытий на стойкость инструмента при точении конструкционных сталей типа 09Г2С, используемых для изготовления деталей ЭМ;

- разработать и обосновать составы и архитектуры наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий, формируемых на твердосплавной инструментальной основе физическим осаждением испаряемого материала из плазмы вакуумно-дугового разряда, обеспечивающих максимальное повышение стойкости твердосплавного инструмента при точении в широком скоростном диапазоне конструкционных сталей типа 09Г2С, используемых для изготовления деталей ЭМ;

- провести комплексные исследования режущих свойств сменных многогранных твердосплавных пластин с разработанными наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями, изучить силовые параметры и выполнить анализ контактных процессов при

точении конструкционных сталей типа 09Г2С, используемых для изготовления деталей ЭМ;

- построить аппроксимирующие зависимости, устанавливающие взаимосвязи между стойкостью сменных многогранных твердосплавных пластин с разработанными наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями и силовыми параметрами резания при варьировании в широком диапазоне режимами резания для обеспечения возможности прогнозирования состояния инструмента при различных условиях его эксплуатации в процессе точения конструкционных сталей типа 09Г2С;

- провести в условиях производственного предприятия сравнительные стойкостные испытания сменных многогранных твердосплавных пластин без покрытия и после нанесения наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий разработанных составов при обработке типовой крупногабаритной детали ЭМ.

Результаты, полученные автором и выносимые на защиту: - состав и архитектура наноструктурированного многослойно-композиционного покрытия ТьТ1К-(Т1СгА181)К> формируемого на твердосплавной инструментальной основе физическим осаждением испаряемого материала из плазмы вакуумно-дугового разряда, обеспечивающего повышение периода стойкости инструмента до 4 раз при обработке конструкционных сталей типа 09Г2С, используемых для изготовления деталей энергетического машиностроения;

- взаимосвязи между периодом стойкости твердосплавного инструмента с наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями и силовыми параметрами резания, обеспечивающие возможность прогнозирования динамики нарастания износа при различных условиях процесса точения конструкционных сталей типа 09Г2С, используемых для изготовления деталей энергетического машиностроения;

- оценка вклада микротвердости разработанных

наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий и прочности их адгезионной связи с инструментальной основой в обеспечение улучшенных трибологических характеристик твердосплавного инструмента в процессе непрерывного резания материалов, использующихся в энергетическом машиностроении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен и обоснован состав и архитектура наноструктурированного многослойно-композиционного покрытия Т1-Т1К-(ТЮгА181)^ обеспечивающего многократное повышение периода стойкости твердосплавного инструмента при точении материалов, использующихся в энергетическом машиностроении;

- получены аппроксимирующие зависимости, устанавливающие взаимосвязи между стойкостью сменных многогранных твердосплавных пластин с разработанными наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями и силовыми параметрами резания при варьировании в широком диапазоне режимами обработки для обеспечения возможности прогнозирования состояния инструмента при различных условиях его эксплуатации в процессе точения конструкционных сталей типа 09Г2С, используемых для изготовления деталей энергетического машиностроения;

- построены аппроксимирующие зависимости изменения износа инструмента с наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями в процессе точения конструкционной стали 09Г2С в широком диапазоне режимов обработки в зависимости от параметров процесса резания.

Теоретическая значимость. Диссертационная работа развивает представления о закономерностях влияния многослойных наноструктурированных покрытий на основе сложных нитридов, сформированных физическим осаждением испаряемого материала из плазмы вакуумно-дугового разряда, на трансформацию силовых параметров, контактных процессов и износостойкость твердосплавных пластин при

точении материалов типа стали 09Г2С в широком диапазоне режимов резания. Аргументация и реализация принципов конструирования архитектуры и состава многослойных наноструктурированных покрытий для твердосплавных пластин, предназначенных для точения стали 09Г2С в широком скоростном диапазоне, позволяет адаптировать полученные результаты для других видов обрабатываемых материалов и стратегий обработки.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработанной методике и рекомендациях по выбору рациональной твердосплавной основы для сменных многогранных пластин с функциональными покрытиями, обеспечивающими в широком диапазоне режимов резания повышенный период стойкости при точении конструкционных сталей типа 09Г2С, используемых для изготовления деталей энергетического машиностроения;

- построенном технологическом алгоритме создания прогрессивного инструмента для обработки материалов энергетического машиностроения (на примере конструкционной стали 09Г2С), заключающемся в выборе рациональной твердосплавной инструментальной основы и последующем нанесении наноструктурированного многослойно-композиционного покрытия ТьТ1К-(Т1СгА181)К> обеспечивающего повышение периода стойкости инструмента до 4 раз, что позволяет обрабатывать крупногабаритные изделия энергетического машиностроения с минимальным количеством переустановов;

- созданном инструментарии по выбору рациональных условий эксплуатации сменных многогранных твердосплавных пластин с разработанными наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями при точении конструкционных сталей типа 09Г2С, используемых для изготовления деталей энергетического машиностроения;

- выполненной на производственной базе ПАО «ЗиО-Подольск» апробации твердосплавных пластин с разработанными наноструктурированными многослойно-композиционными покрытиями при

механической обработке серийно выпускаемого изделия - трубной доски из стали 09Г2С для реакторной установки БН600: в процессе производственных испытаний инструмент с покрытием Т1-Т1К-(Т1СгА1Б1)К показал увеличение стойкости инструмента в 3,0-3,5 раза, что зафиксировано в соответствующем акте.

Методы исследований. Работа выполнена на основе использования фундаментальных положений теории резания материалов, методов статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического и компьютерного моделирования. Исследования процесса резания проводилась на специальном станочном оборудовании, позволяющем бесступенчато варьировать скорость резания при испытаниях инструмента, измерять силовые параметры процесса обработки и фиксировать кинетику изнашивания инструмента. Изучение состава и свойств многослойно-композиционных покрытий выполняли с использованием современных методов металлографического и металлофизического анализов.

Результаты работы реализованы на машиностроительном заводе «ЗиО-Подольск», являющемся ведущем производителем высокосложного теплообменного оборудования для предприятий топливо-энергетического комплекса: тепловых электростанций, нефтяной и газовой промышленности, а также судостроения. На производственной базе данного предприятия апробированы сменные многогранные пластины из твердого сплава Т14К8 с наноструктурированным покрытием ТьТ1К-(Т1СгА1Б1^ на операциях точения деталей энергоустановок из конструкционных сталей 09Г2С.

Степень достоверности результатов работы подтверждается согласованием теоретических расчетов и экспериментальных исследований, верификацией математических моделей, положительными результатами практической апробации результатов работы и производственными испытаниями при изготовлении деталей энергетического машиностроения на ПАО «ЗиО-Подольск». Экспериментальные исследования проведены в аккредитованных лабораториях с использованием инновационных и

стандартных методик исследований и испытаний с применением поверенных средств измерений. Применялось современное технологического оборудование и компьютерная техника с программным обеспечением.

Апробация результатов работы была выполнена на научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии для атомного, энергетического и тяжелого машиностроения» (г. Москва, 2011г.), международной научно-технической конференции «Резание и инструмент в технологических системах» (г. Харьков, 2012г.), XX международном научно-техническом семинаре «Высокие технологии: тенденции развития, нормативно-техническое регулирование ИНТЕРПАРТНЕР-2012» (г. Алушта, 2012г.), V научно-технической конференции молодых специалистов «Энергомашспецсталь-2013» (г. Краматорск, 2013г.), VI всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение - традиции и инновации, МТИ-2013» (г. Москва, 2013г.).

Результаты работы неоднократно докладывались на заседаниях кафедр «Высокоэффективные технологии обработки» и «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» и научно-технических заседаниях в АО «НПО «ЦНИИТМАШ»

По материалам диссертации было опубликовано 18 работ, в том числе 8 работ - в журналах, рекомендованных ВАК, 4 - работы в изданиях, входящих в международные базы цитирования Scopus/Web of Science, получен 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. По теме и содержанию материалов диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» в части пунктов 2, 3 и 4 раздела «Области исследований».

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает четыре главы, заключение и три приложения. Содержит 157 страниц печатного текста, 54 рисунка, 68 таблиц и библиографический список, включающий 72 литературных источника.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ

МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1 Анализ особенностей резания конструкционных материалов, используемых в энергетическом машиностроении

При изготовлении крупногабаритных изделий энергетического машиностроения (реакторов, коллекторов, трубных досок и т.д.) применяется большое количество специально разработанных и улучшенных материалов. К большинству таких деталей предъявляются повышенные требования к эксплуатационным свойствам, которые предопределяются повышенными требованиями к эксплуатационным характеристикам конечных изделий энергетического машиностроения и ряда других высокотехнологичных машиностроительных отраслей [5], [7], [9], [11], [12].

Требования к материалам могут сильно различаться в зависимости от термомеханических эксплуатационных нагрузок (постоянные, циклические, термоциклические нагрузки и т.д.), условий химического воздействия в процессе эксплуатации и т.д. Например, в зависимости от назначения изделия наиболее важным свойством, влияющим на работоспособность, в одном случае может быть хладостойкость материала, а в другом - его теплостойкость. При этом следует отметить, что условия механической обработки подобных изделий определяются не только их собственными физико-механическими и теплофизическими свойствами, но и условиями обработки.

При современном развитии производства как в России, так в мировой практике, изготовление деталей ЭМ не обходится без механической обработки, трудоемкость которой может достигать до 70 % от общей

трудоемкости производства изделий. В процессе механической обработки слабым звеном является режущий инструмент. В связи с этим увеличение работоспособности режущего инструмента является актуальной задачей для металлообрабатывающих производств. При том, что разрабатываются и получают все большее применение новые инструментальные материалы, твердый сплав остается наиболее распространенным инструментальным материалом, обладая относительно невысокой стоимостью в сочетании с наиболее широкой областью применения и высокими эксплуатационными свойствами. Одним из способов повышения работоспособности инструмента из твердого сплава является применение наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий, что подтверждается многочисленными исследованиями, проводимыми в этом направлении [1], [2], [4], [10], [11], [12].

Одной из особенностей обработки резанием заготовок, используемых в энергетическом машиностроении, является состояние поверхностного слоя заготовок после предварительных операций обработки, достаточно сильно изменяющее свойства материалов. В частности, изготовление крупногабаритных изделий обычно производят после предварительной ковки, что приводит к резкому повышению трудоёмкости процесса обработки резанием. Это связано с тем, что заготовки, поступающие на обработку резанием после ковки, имеют твердые включения и значительные неровности поверхности. Последнее обусловливает назначение относительно больших допусков на геометрические размеры заготовок и необходимость удаления в процессе обработки значительных объемов металла. Процесс резания заготовок характеризуется переменной глубиной резания, вплоть до нулевой, что нередко приводит к ударным и циклическим нагрузкам. Это позволяет классифицировать такой процесс резания, как типичную черновую обработку.

Несмотря на эти особенности, последний проход должен обеспечить качество поверхностного слоя, достаточного для проведения ультразвукового

исследования, поверхность должна иметь шероховатость не более 5 мкм по параметру Яа, что достигается на получистовых и чистовых режимах обработки с одним установом инструмента.

К подобным крупногабаритным изделиям относят, в частности, корпуса реакторов, состоящие из обечаек и днища (рисунок 1.1), ротора генераторов (рисунок 1.2), трубные доски (рисунок 1.3). Размеры обечайки по наружному диаметру достигают 4700 мм, по внутреннему диаметру -3990 мм и по высоте - 2475 мм. Операционное время обработки превышает 8 суток. Одним из способов увеличения безопасности корпуса реактора является вынесение сварных швов из активной зоны, что приводит к увеличению габаритных размеров заготовок (высота заготовки достигает 5000 мм) и, как следствие, к существенному увеличению трудоемкости механической обработки.

Рисунок 1.1 - Обечайка реактора

Рисунок 1.2 - Хвостовик ротора генератора мощностью 500 мВт (длина 4585 мм. диаметр 1810 мм)

и .

тш

Ш&Рш

¡¡Я

Рисунок 1.3 - Трубная доска

При производстве крупногабаритных изделий ЭМ широкое распространения получила сталь 15Х2НМФА, используемая для изготовления корпусов реакторов. Ее использование имеет многолетний

положительный опыт, подтвержденный рядом всесторонних исследований и испытаний, проведенных в АО «НПО «ЦНИИТМАШ». Химический состав и механические свойства стали 15Х2НМФА приведены в таблицах 1.1 и 1.2 [16].

Таблица 1.1 - Химический состав стали 15Х2НМФА Массовая доля элементов, % по ТУ 108.765-78

С Мп Б Р Со Сг N1 Мо АБ Си V

0,13 0,17 0,30 < < < 0,03 1,80 1,00 0,50 < 0,04 < 0,30 0,10

0,18 0,37 0,60 0,02 0 0,02 0 2,30 1,50 0,70 0,12

Таблица 1.2 - Механические свойства стали 15Х2НМФА

при температуре 20°С

Сечение, ^0,2, °в, 5, КС^

мм Н/мм2 Н/мм2 % % Дж/см2

не менее

400 490 608 15 55 Тк<-10°С

600 441 549 15 55 Тк < 0°С

По механическим свойствам сталь 15Х2НМФА приближается к свойствам широко используемой стали 45, однако обрабатываемость стали 15Х2НМФА существенно отличается от обрабатываемости стали 45. Обрабатываемость стали 15Х2НМФА при ав = 608 Н/мм соответствует следующим коэффициентам обрабатываемости в состоянии закалки с последующим отпуском: К = 1,18 (обработка твердосплавным инструментом) и Кл> = 0,85 (обработка быстрорежущим инструментом).

При изготовлении различных изделий энергетического машиностроения широко применяется низколегированная сталь 09Г2С. Которая используется при изготовлении деталей аппаратов и сосудов, работающих при температурах от -70 °С до +475 °С под давлением.

Химический состав и механические свойства данной стали представлены в таблицах 1.3 и 1.4 [16]. Из данной стали изготавливают трубные доски для реакторных установок типа БН - энергетических реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем.

Таблица 1.3 - Химический состав стали 09Г2С

Массовая доля элементов, % по ГОСТ 19281-89

С Мп Б Р Сг N1 N АБ Си

< 0,12 0,500,80 1,301,70 < 0,040 < 0,035 < 0,30 < 0,30 < 0,012 < 0,08 < 0,30

Таблица 1.4 - Механические свойства стали 09Г2С при температуре 20°С

Сечение, мм ^0,2, °в, 5, КСи,

Н/мм2 Н/мм2 % % Дж/см2

не менее

до 10 345 480 21 - 64

свыше 10 до 20 325 450 21 - 59

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лыткин Дмитрий Николаевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 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. 919.

2. Cutting with coated tools: Coating technologies, characterization methods and performance optimization / K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Skordaris, E. Bouzakis, D. Biermann, R. M'Saoubi. // CIRP Annals Manufacturing Technology. -2012. - 61. -С. 703-723

3. Moll, E. Hard coatings by plasma-assisted PVD technologies: industrial practice / E. Moll, E. Bergmann // Surface and Coating Technology. - 1989.

- 37. - С. 483-509.

4. Holleck, H. Basic principles of specific application of ceramic materials as protective layers. / H. Holleck. // Surface and coatings Tecnnology. - 1990.43/44.- С. 245-258.

5. The architecture and performance of compositionally gradient and multilayer PVD coating / J. Vetter, W. Burgmer, H. Dederichs, A.Perry. //Material Science Forum Vols. - 1994. - 164. - С.527-532.

6. Byrne, G. Advancing Cutting Technology / G. Byrne, D. Dornfeld, B. Denkena // CIRP Annals. - 2003. - Vol 52/2/2003.

7. Аникеев, А.И. Пути повышения работоспособности режущего интрумента за счет нанесения покрытий / А.И. Аникеев, В.Н. Аникин, В.С. Торопченов // Современный твердосплавный инструмент и рациональное его использование. - Ленинград : ЛДНТП, 1980. - С. 40- 44.

8. Изучение роста износостойких слоев из карбида титана на твердых сплавах / Г.Л. Платонов, В.Н. Аникин, А.И. Аникеев и др. // Порошковая металлургия. - 1980. - № 8. - C. 48-52.

9. Хокингс, М. Металлические и керамические покрытия. Получение,

свойства и применение / М. Хокингс, В. Васантари, П. Сидки. - Москва: Мир, 2000. - 518 с.

10. Аксенов, И.И. Покрытия, получаемые конденсацией потоков в вакууме (способ конденсации с ионной бомбардировкой) / И.И. Аксенов, А.А Андреев // УФЖ. - 1979. - 4. - 515 с.

11. Martin, P.J. Review of the filtered vacuum arc process and materials deposition / P.J. Martin, А. Bendavid // Thin Solid Films. - 2001. - С. 1-15.

12. Sedlacek, V. Metallic surfaces, films, and coatings // Material science monographs, Bratislava, Ister Science Press, Elsevier Press, 1992. - 362 p.

13. Handbook of Film Process Technology / P.J. Martin, O. Knotek, A. Scherey and others // 1995. London. IOP Publishing Ltd. - 218 p. (In English).

14. Григорьев, С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента. - Москва: Машиностроение, 2009. - 368 с.

15. Panckow, A.N. Advanced coating architectures deposited by pulsed and filtered arc ion-plating / A.N. Panckow, J. Steffenhagen, F. Lierath // Surface and Coating Technology. - 2003.- 165.- С. 128-134.

16. Зубченко, А.С. Марочник сталей и сплавов / А.С. Зубченко. - Москва: Машиностроение, 2001. - 672 с.

17. Сотова, Е.С. Повышение эффективности резания закаленных сталей путём применения высокопрочной композиционной керамики с многослойно-композиционными покрытиями : дисс. ... канд. техн. наук / Е.С. Сотова. -Москва, 2011. - 148с.

18. Верещака, А.С. Работоспособность инструмента с покрытием / А.С. Верещака. - Москва : Машиностроение, 1993. - 336 с.

19. ISO 513:2004 Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges - Designation of the main groups and groups of application, 2004.

20. Табаков, В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана / В.П. Табаков. - Ульяновск: УлГТУ, 1998.- 123 c.

21. ГОСТ 3882-74 (ИСО 513-75) Сплавы твердые спеченные. Марки, 2008.

22. Okumiya, M. Mecfnical properties and tribological behavior of TiN-CrAlN

and CrN-CrAlN multilayer coatings / M. Okumiya, M. Gripentrog // Surface and Coating Technologies. - 1999. - 112. - С. 123-128.

23. Патент РФ № 2001106610/02, 05.08.1998 Верещака А.А., Пчелинцев А.К., Верещака, А.С., Синицин В.С., Ласточкин С.С., Лапин В.Ф., Додонов А.И. Многослойно-композиционное износостойкое покрытие

// Патент России №2198243 C2, 10.02.2003.

24. Верещака, А.С. Тенденции совершенствования и методология создания функциональных покрытий для режущего инструмента / А.С. Верещака, А.А. Верещака // Производство. Технология. Экология : сборник научных трудов : в 3 томах. - Том 3 (часть 2). - № 10. - Москва : Янус-К, 2007. - С. 889-929.

25. Influence of subsurface properties on the adhesion strength of sputtered hard coatings / H.K. Tonshoff, B. Karpuschewski, A. Mohlfeld, H. Seegers // Surf. Coat. Technol. - 1999.- 117.- С. 524-529.

26. Верещака, А.С. Резание материалов : учебник / А.С. Верещака, В.С. Кушнер. - Москва : Высшая школа, 2009. - 535 с.

27. Верещака, А.А. Повышение режущих свойств твердосплавного инструмента путем рационального выбора состава, структуры и свойств наноразмерных износостойких комплексов : дисс. ... канд. техн. наук. -Москва : ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2010. - 254 с.

28. Верещака, А.С. Некоторые тенденции совершенствования технологической производственной среды / А.С. Верещака // СТИН.- 2005.-№ 8.- С. 12-18.

29. Vereschaka, A. Development of assisted filtered cathodic vacuum arc deposition of nano-dispersed multi-layered composite coatings on cutting tools / A. Vereschaka // Key Engineering Materials. - 2014. - Т. 581. - С. 62-75.

30. Knotek O. Multilayer Coatings for Improved Performance / O. Knotek, F. Loffler, G. Kramer // Surface Coating Technology. - 1993. - 59. - С. 14-18.

31.Верещака А.С. Режущие инструменты с износостойкими

покрытиями / А.С. Верещака, И.П. Третьяков. -

Москва: Машиностроение, 1986. -192 с.

32. Подураев, В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов / В.Н. Подураев. - Москва : Высшая школа, 1974. - 587 с.

33. Обработка резанием жаропрочных сталей, сплавов и тугоплавких металлов / А.М. Даниелян, П.И. Бобрик, Я.Л. Гуревич, И.С. Егоров. - Москва : Машиностроение, 1965. - 308 с.

34. Чубаров, А.Л. Особенности обработки резанием титановых и жаропрочных сплавов / А.Л. Чубаров // Вестник машиностроения. - 1958. - № 9. - С. 54-59.

35. Development and research of environmentally friendly dry technological machining system with compensation of physical function of cutting fluids /

A.A. Vereschaka, A.S. Vereschaka, S.N. Grigoriev, A.K. Kirillov, O.U. Khaustova // CONFERENCE ON MANUFACTURING SYSTEMS. - 2013. - 46. - C. 311316.

36. Nano-scale multilayered-composite coatings for the cutting tools / A.A. Vereshchaka, A.S. Vereshchaka, O. Mgaloblishvili, M.N. Morgan., A.D. Batako // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2014. -Т. 72, № 1-4. - С. 303-317.

37. Nano-scale multilayered composite coatings for cutting tools operating under heavy cutting conditions / A.A. Vereschaka, S.N. Grigoriev, A.S. Vereschaka, A.Y. Popov, A.D. Batako // Procedia CIRP. - 2014. - С. 239- 244.

38. 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. 9-19.

39. Повышение работоспособности режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов путем комплексного применения наноструктурированного износостойкого покрытия и твердого сплава оптимального состава / А.С. Верещака, А.В. Дачева, А.И. Аникеев // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2010. -

№ 1 (9). - С. 99-106.

40. Vereschaka, A.A. Carbide tools with nano-dispersed coating for highperformance cutting of hard-to-cut materials / A.A. Vereschaka, A.S. Vereschaka, A.I. Anikeev // Advanced Materials Research. - 2014. -Т. 871.

- С. 164-170.

41. Nano-scale multi-layered coatings for cutting tools generated using assisted filtered cathodic-vacuum-arc deposition (afcvad) / A.A. Vereschaka, A.S. Vereschaka, S.N. Grigoriev, D.V.Sladkov // Applied Mechanics and Materials.-2013. - Т. 327. - С. 1454-1459.

42. Vereschaka, A.S. The study wear resistance of the modified surface of the cutting tool / A.S. Vereschaka, A.A. Vereschaka, M.S. Migranov // Applied Mechanics and Materials.- 2014. -Т. 548. -С. 417-421.

43. Многослойные наноструктурированные покрытия для режущего инструмента / А.С. Верещака, А.А. Верещака, Г.Ю. Савушкин, А.С. Сивенков // Перспективные материалы. - 2014. - № 5. - С. 39-48.

44. Кабалдин, Ю.Г. Повышение работоспособности и надежности рабочей части режущего инструмента в автоматизированном производстве: автореф. дисс. ... д-ра. техн. наук / Ю.Г. Кабалдин - Москва, 1987.

45. Табаков, В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента / В.П. Табаков. - Москва : Машиностроение, 2008. -311 с.

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

47. Lierat F., Vereschaka A. The Main Trends of Vakuum - ARC Technology Synthesis of Multilayer Coatings for Cutting Tool Perfection. IX Internationals Productionstechnisches Kolloquium PTK - 98. - Berlin, 1998. - Р. 211-225.

48. Внуков, Ю.Н. Повышение износостойкости быстрорежущих инструментов на основе исследования их трения с обрабатываемыми материалами и реализации новых технологических возможностей: дисс. ... д-ра техн. наук / Ю.Н. Внуков. - Москва, 1992. - 371 с.

49. Верещака, А.С. Влияние субстрата на работоспособность режущего инструмента с покрытием / А.С. Верещака, Д.Н. Лыткин // Металлообработка.

- 2017. - № 1 (97). - С. 23-28.

50. Адаскин, А.М. Влияние свойств твердого сплава на износостойкость твердосплавного инструмента с покрытием при обработке жаропрочного сплава на основе хрома / А.М. Адаскин, В.Н. Бутрим, А.С. Верещака // СТИН.

- 2016. - № 3. - С. 20-24.

51. Высокоэффективные инструментальные материалы для резания труднообрабатываемых материалов / А.С. Верещака, Д.Н. Клауч, М.Е. Кущева, А.А. Верещака, А.А. Козлов // Резание и инструмент в технологических системах: Международная научно-техническая конференция. Харьков НТУ «ХПИ». - 2012. - Выпуск 81. - С. 34-48.

52. Повышение работоспособности лезвийных инструментов за счет направленной модификации свойств их рабочих поверхностей при нанесении наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий / А.С. Верещака, С.Н. Григорьев, А.А. Верещака, Д.Н. Лыткин, Г.Ю. Савушкин, А.С. Сивенков // Вестник МГТУ

«СТАНКИН». - 2014 - № 4 (31). - С. 45-51.

53. Разработка и исследование многослойно-композиционных покрытий с нанодисперсной структурой осаждаемых на режущие инструменты при использовании ассистируемых катодно-вакуумно-дуговых процессов / Ю.В. Максимов, А.С. Верещака, А.А. Верещака, А.С. Кудров, Д.Н. Лыткин, Д.Л. Шегай, А.И. Булычева // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2013. - Т. 2, № 1 (15). - С. 73-82.

54. Nanostructured multilayer composite coatings on ceramic cutting tools for finishing treatment of high-hardness quenched steels / A.A. Vereshchaka,

E.S. Sotova, A.S. Vereshchaka, A.D. Batako // Metal Science and Heat Treatment. - 2016. - Т. 57, № 9-10. - С. 614-619.

55. Методологические подходы к формированию многослойных покрытий на режущем инструменте / В.П. Табаков, А.С. Верещака, А.А. Верещака, А.Д.

Батако // Вестник машиностроения. - 2015. - № 9. - С. 82-88.

56. Твердохлебов А.С. Повышение эффективности твердосплавного инструмента для резания труднообрабатываемых материалов / А.С. Твердохлебов, Ю.В. Максимов, А.С. Верещака // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2014. -Т. 2, № 2 (20). - С. 94-99.

57. Бобров, В.Ф. Основы теории резания металлов / В.Ф. Бобров. - Москва : Машиностроение, 1975. - 344 с.

58. Абуладзе, Н.Г. Характер и длина пластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента / Н.Г. Абуладзе - Куйбышевск : Куйбышевское областное книжное издательство, 1962 - С. 68-77.

59. Пененко, В.В. Математические методы планирования эксперимента / В.В. Пененко. - Новосибирск : Наука, 1981. - 257 с.

60. Резников, А.Н. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников. - Москва : Машиностроение, 1990. - С. 288.

61. Тепловые процессы в технологической системе резания (Н.Г. Неумоина, А.В.Белов) // Е.П. Богданов. - Волгоград: РПК «Политехник», 2006. - 84 с.

62. Хокингс, М. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение / М. Хокингс, В. Васантари, П. Сидки. - Москва: Мир, 2000. - 518 с.

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

64. Изучение роста износостойких слоев из карбида титана на твердых сплавах / Г.Л. Платонов, В.Н. Аникин, А.И. Аникеев и др. // Порошковая металлургия. - 1980. - № 8. - С. 48-52.

65. 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. - Москва : Машиностроение, 1987. - 320 с.

66. Cobine, J. 1980 Introduction to Vacuum Arcs Vacuum Arcs: Theory and Application // Edition J. M. Lafferty (1980) (New York: Wiley). - P. 1-18. (In English).

67. Cselle, T. Nanostracturierte Schichten in der Werkstaff. Platit AG. Warkzeugtagung 2002. (In German)

68. Knotek, O. Multilayer Coatings for Improved Performance / O. Knotek, F. Loffler, G. Kramer // Surface Coating Technology. - 1993. - 59. - С. 14-18.

69. Barnett, S. A. Physics of Thin Films / S.A. Barnett, M. H. Francombe, J. L. Vossen (ets.) //Academic Press, New York. - 1993. - С. 1-77.

70. Application of novel vacuum-arc ion-plating technologies for the design of advanced wear resistant coatings. / A.N. Panckow, J. Steffenhagen, D. Wegener, L. Dubner, F. Lierath. // Surface and Coating Technologies. - 2001. - 138

- С. 1-15.

71. Аникеев, А.И. Пути повышения работоспособности режущего интрумента за счет нанесения покрытий / А.И. Аникеев, В.Н. Аникин, В.С. Торопченов // Современный твердосплавный инструмент и рациональное его использование.

- Ленинград : ЛДНТП, 1980. - С. 40- 44.

72. Аксенов, И.И. Формирование потоков металлической плазмы / И.И. Аксенов, В.Г. Падалка, В.М. Хороших // ЦНИИатоминформ. - 1984. - 83 с.

Приложение А. Дифракционные спектры Zr-ZrN-(ZrNbCrAl)N

Рисунок П1 - Дифракционный спектр 7г-7гК-(7г№>СгА1)К сим.; штрих-диаграммы WC, (2гК) а = 4,5978 А

Рисунок П2 - Дифракционный спектр 7г-7гК-(7г№>СгА1)К сим.; штрих-диаграммы Сг2К, №>7гК2, СгК

РмЩоп |*2ТТ|«1а1 (соррег (Си))

РоЛИоп [*2Ш«1а) (Соррсг (Си))

Рисунок П3 - Дифракционный спектр 7г-7гК-(7гМЬСгА1)К асим. ю = штрих-диаграммы WC, (2гК) а = 4,5978 А

Ро5№4оп |<*21Т1в1а) (Соррег (Си))

РозМоп Е*-2"П-|«а) ССоррсг (Си))

Рисунок П4 - Дифракционный спектр 5°; штрих-диаграммы Сг2К, КЪ7гК2, СгК

7г-7гК-(7г№>СгА1)К

асим. ю =

Приложение Б. Акт внедрения результатов работы на ПАО «ЗиО-Подольск»

Приложение В. Патент на изобретение, полученный на многослойно-композиционное покрытие для режущего инструмента