Разработка и исследование порошковых композиций на основе быстрорежущей стали для режущего инструмента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат технических наук Носков, Федор Михайлович

• Носков, Федор Михайлович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Носков, Федор Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

И СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С КАРБИДНЫМ И ОКСИДНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ.

1.1 Обзор современных инструментальных материалов.

1.2 Общая характеристика карбидосталей.

1.3 Характеристика различных методов получения композиционных материалов на основе сталей с карбидным упрочнением.

1.4 Характеристика метода наплавки.

1.4.1 Особенности технологии плазменной наплавки.

1.4.2 Особенности технологии индукционной наплавки.

1.5 Применение индукционного нагрева для наплавки металлов.

Выводы.

2. ВЫБОР ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1 Выбор материала связующего.

2.1.1 Особенности упрочнения быстрорежущих сталей.

2.2 Упрочняющие материалы.

2.2.1 Свойства тугоплавких карбидов.

2.3 Состав наплавляемой композиции.

2.4 Материал подложки.

2.5 Выбор флюса.

2.5.1 Подбор флюса для проведения эксперимента.

Выводы.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА.

3.1 Оборудование и оснастка.

3.2 Индукционный нагрев.

3.2.1 Кинетика индукционного нагрева легированной стали.

3.3 Технология наплавки.

3.4 Методика получения наплавленных слоев.

3.5 Научное оборудование и методы исследования.

3.5.1 Металлографические исследования.

3.5.2 Определение твёрдости и микротвёрдости.

3.5.3 Рентгеновские исследования.

3.5.4 Термические исследования.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ОБРАЗЦОВ.

4.1 Металлографический анализ образцов.

4.2 Рентгеновские исследования.

4.3 Механические свойства.

4.4 Термическая обработка.

4.5 Исследование теплостойкости.

4.6 Испытание стойкости инструмента.

5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

5.1 Обоснование необходимости математической модели.

5.2 Математическая модель.

5.2.1 Результаты, полученные при помощи математической модели.

5.3 Экспериментальное подтверждение математической модели.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование порошковых композиций на основе быстрорежущей стали для режущего инструмента»

Актуальность. Разнообразный спектр обрабатываемых материалов, обладающих различными физико-химическими и прочностными характеристиками, требует создания соответствующих материалов для изготовления (восстановления) инструментов, имеющих высокие эксплуатационные и технологические свойства.

Одним из способов получения инструментальных материалов на базе порошковых композиций является индукционная наплавка, позволяющая управлять процессами плавления и кристаллизации, что является одним из важнейших факторов, дающим возможность создавать инструменты с требуемыми физико-механическими и технологическими свойствами. Возможность получения инструмента с наплавленным рабочим слоем позволяет существенно снизить расход дорогих высоколегированных материалов и уменьшить трудоемкость их изготовления.

В этом случае, определяющее влияние на структуру материала и последующую термическую обработку инструмента оказывают условия его получения и исходное состояние порошков, в результате этого и в связи с исключением горячей пластической деформации из технологической цепи производства инструмента, становится возможным формирование заданной структуры и фазового состава. Поэтому применением порошковых композиций на основе быстрорежущей стали с карбидными и оксидными добавками для получения инструментов, позволяет совместить преимущества порошковой металлургии с достоинствами классической металлургии, что является актуальной задачей.

Работа проводилась согласно планам НИР КГТУ и поддержана грантом Красноярского краевого фонда науки по теме 15G235.

Целью работы является получение композиционного материала с разработкой технологии изготовления рабочей части инструмента путем наплавки порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 с добавками WC, TiC и AI2O3.

Для достижения цели сформулированы следующие задачи:

1. Выбор порошковой композиции для получения инструмента, сочетающего высокую твердость и теплостойкость с повышенной прочностью (инструмента с расширенной областью применения).

2. Разработка технологии наплавки рабочей части инструмента порошковыми композициями для формирования структурного состояния, характерного для ускоренного охлаждения, обеспечивающего получение высококонцентрированного твердого раствора и формирование более дисперсной структуры.

3. Определение температурных режимов термической обработки, обеспечивающих получение наибольшей твердости и теплостойкости, за счет выделения карбидов из пересыщенных мартенсита и остаточного аустенита при дисперсионном твердении.

4. Экспериментально-промышленные испытания полученного инструмента.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что при введении добавок WC, TiC и АЬОз, в порошковую композицию в зависимости от времени нахождения их в расплаве, становится возможным осуществление требуемого распределения концентрации компонентов для создания структуры с заданным комплексом свойств.

2. Установлено, что при индукционной наплавке, за счет контроля времени нахождения компонентов в жидком состоянии, возможно оказывать воздействие на строение ледебурита, который может изменяться от развитого «скелетного» до дисперсного, с соответствующим изменением физико-механических характеристик слоев.

3. Показано, что искусственно созданное распределение порошковой быстрорежущей стали и добавок, входящих в состав порошковой композиции, удается сохранить при индукционной наплавке с удельной мощностью до 2 кВт/см2.

4. Установлено, что при охлаждении наплавляемого материала со скоростью до 100°С/с, формируется структурное состояние, позволяющее реализовать эффект дисперсионного твердения в процессе трехкратного отпуска при температуре 560 °С.

Практическая значимость работы.

Предложенные составы порошковых композиций, разработанная технология наплавки и последующей термической обработки позволяют производить режущие и другие инструменты, на основе порошков быстрорежущей стали 10Р6М5 с добавками WC, TiC и А120з, с твердостью более 70 HRC и теплостойкостью до 640 °С, что обеспечивает повышение стойкости режущего инструмента более чем в 1,5 раза по сравнению со стойкостью инструмента из стандартной стали Р6М5.

Достоверность полученных результатов подтверждается повторением опытов в сходных условиях, использованием различных методик исследования полученных композиционных материалов и непротиворечивостью исследованиям других авторов.

Личный вклад автора заключается в проведении основной части экспериментальных исследований по разработке технологии, получению и изучению наплавленных слоев. Автору принадлежит обоснование и разработка положений определяющих научную новизну и практическую ценность работы. В совместных публикациях, вклад авторов был примерно равным.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 2003), «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Пенза 2004), «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2004), «Инновационное развитие регионов Сибири» (Красноярск, 2006) и на научно-техническом семинаре механико-технологического факультета КГТУ.

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 статьях, одном тезисе конференций и одной депонированной работе.

Объем и структура работы.

Материалы диссертации изложены на 127 страницах основного текста, включающего 48 рисунков и 16 таблиц. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и двух приложений.

Заключение диссертации по теме «Порошковая металлургия и композиционные материалы», Носков, Федор Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выбранные порошковые композиции и технология индукционной наплавки позволяют получать материалы с заданными строением и легированностью, так добавка: карбида вольфрама приводит к формированию ледебуритных карбидов скелетного типа; карбида титана приводит к образованию-карбидов ледебуритного происхождения, имеющих дисперсное строение; оксида алюминия повышает дисперсность наплавленного слоя, что в совокупности позволяет расширить номенклатуру обрабатываемых материалов.

2. Разработанная технология наплавки инструментов, предлагаемыми порошковыми композициями с применением индукционного нагрева удельной

Ф мощностью 1 -2 кВт/см2, позволяет реализовать эффект закалки за счет теплоотвода в подложку со скоростью до 100 °С/с.

3. Применение индукционной технологии наплавки дает возможность получения структур с различной легированностью и дисперсностью, при глубине переходной зоны не превышающей 2 мкм, что дает возможность получать наплавленные слои толщиной 1-6 мм за один проход индуктора.

4. Трехкратный отпуск при температуре 560 °С, позволяет получать твердость наплавок более 70 HRC с теплостойкостью до 640 °С за счет эффекта дисперсионного твердения.

4. Стойкость инструмента с наплавками из композиционного материала ® более чем в 1,5 раза выше по сравнению со стойкостью аналогичного инструмента из стали Р6М5.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Носков, Федор Михайлович, 2006 год

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

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

3. Материаловедение: Учеб. для вузов. / Б. Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов. М.: Изд во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002 - 648 с.

4. Токмин, А. М. Инструментальные материалы: учеб. пособие / А. М. Ток-мин. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2001.- 147 с.

5. Зленко, Н. И. Выбор твердого сплава лезвийного режущего инструмента / Н. И. Зленко // Инженерный журнал 2000 - №11 - с.

6. Третьяков, В. И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов / В. И. Третьяков. М.: Металлургия, 1976. - 528 с.

7. Тонкая техническая керамика : справочник / ред. X. Янагида. М.: Металлургия, 1986. - 276 с.

8. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: справочник / В.И. Баранчиков, А. В. Жаринов, Н. Д. Юдина, А. И. Садыхов. -М.: Машиностроение, 1990. 400 с.

9. Гуревич, Ю. Г. Карбидостали / Ю. Г. Гуревич, В. К. Нарва, Н. Р. Фраге. -М.: Металлургия, 1988. 144 с.

10. Таничева, О. Н. Выбор стали и режима термической обработки для литой быстрорежущей стали / О. Н. Таничева // Металловедение и термическая обработка металлов 1968. - №12. - С. 43-44.

11. Чаус, А. С. Структура и свойства литой быстроохлажденной быстрорежущей стали Р6М5 / А. С. Чаус // Металловедение и термическая обработка металлов 2003. - №5 - С.3-7.

12. Салманов, М. Н. Новый высокованадиевый наплавочный материал для штампов горячего деформирования и пресс-форм / М. Н. Салманов, В. Н. Ша-балин, Н. С. Салманов, А. А. Кононов // Сварочное производство 2001. - №10 - С.22-25.

13. Ханов, А. М. Применение вторично переработанных карбидовольфрамо-вы порошковых материалов в составе наплавочного прутка / А. М. Ханов, М. Н. Игнатов, О. И. Ломовский // Сварочное производство 2000. - №8 - С.43-45.

14. Кальянов, В. Н. Износостойкость наплавленного металла с повышенной долей карбидов титана / В. Н. Кальянов, А. Н. Петренко // Автоматическая сварка 2004. - №12 - С.59-60.

15. Каковкин, О. С. Особенности легирования наплавленного металла карбидом титана при дуговой износостойкой наплавке / О. С. Каковкин, Ю. Д. Да-рахвелидзе, Г. Г. Старченко // Сварочное производство 1989. - №5 - С.8-10.

16. Оковитый, В. А. Плазменные износостойкие покрытия с включением твердой смазки / В. А. Оковитый // Сварочное производство 2002. - №6 -С.41-43.

17. Белый, А. И. Влияние легирующих элементов на структуру композиционного сплава на основе карбидов вольфрама / А. И. Белый, А. П. Жудра, В. И. Дзыкович // Автоматическая сварка 2002. - №11 - С. 18-20.

18. Белый, А. И. Особенности раскисления металла сварочной ванны при плазменной наплавке композиционных материалов / А. И. Белый, А. П. Жудра, В. И. Дзыкович // Автоматическая сварка 2002. - №10 - С.48-49.

19. Сом, А. И. Плазменно-порошковая наплавка композиционных сплавов на базе литых карбидов вольфрама / А. И. Сом // Автоматическая сварка 2004. -№12 - С.49-53.

20. Переплетчиков, Е. Ф. Высокованадиевые сплавы для плазменно-порошковой наплавки инструментов / Е. Ф. Переплетчиков, И. А. Рябцев, Г. М. Гордань // Автоматическая сварка 2003. - №3 - С.21-25.

21. Ткачев, В. Н. Индукционная наплавка твердых сплавов / В. Н. Ткачев, Б. М. Фиштейн, Н. В. Казинцев, Д. А. Алдырев. М.: Машиностроение, 1970. -183 с.

22. Пулька, Ч. В. Влияние режимов индукционной наплавки на структуру и свойства наплавленного металла / Ч. В. Пулька, О. Н. Шаблий, А. С. Письменный // Автоматическая сварка 2004. - №10 - С. 19-21.

23. Федин, А. П. Сварка, наплавка и резка металлов / А. П. Федин; Минск: Высшая школа, 1972. - 332 с.

24. Бернштейн, М. JL Термомагнитная обработка некоторых сталей по способу Бассета / М. Л. Бернштейн // Металловедение и термическая обработка металлов 1968. - №8 - С.5-10.

25. Садовский, В. Д. Влияние магнитного поля на мартенситное превращение в стали / В. Д. Садовский // сб. науч. тр. Металловедение, М.: Наука, 1971—432с.

26. Вайнерман, А. Е. Плазменная наплавка металлов / А. Е. Вайнерман. Л.: Машиностроение, 1969. - 192 с.

27. Вологдин, В. В. Пайка и наплавка при индукционном нагреве / В. В. Во-логдин. М.: Машиностроение, 1965 - 62 с.

28. Шехтер, С. Я. Наплавка металлов / С. Я. Шехтер, А. М. Резницкий. М.: Машиностроение, 1982. - 72 с.

29. Наплавка металлов : карманный справочник рабочего / под ред. Б. А. Ку-лишенко. М.: Машиностроение, 1964. - 204 с.

30. Гринберг, Н. А. Наплавка деталей, работающих в условиях абразивного износа / Н. А. Гринберг // Автоматическая сварка 1967. - №7 - С.55-58.

31. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: учеб. для вузов. / В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, JI. К. Дружинин; М.: Металлургия, 1987 - 792 с.

32. Гвоздев, А. Е. Закономерности проявления сверхпластичности сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП / А. Е. Гвоздев, А. В. Афанаскин, Е. А. Гвоздев // Металловедение и термическая обработка металлов 2002. - №6 - С.32-36.

33. Кремнев, JI. С. Развитие теории легирования и разработка оптимальных составов теплостойких инструментальных-сталей : автореферат дис. . докт. техн. наук : 05.02.01 / Л. С. Кремнев. Москва : б. и., 1974.-22 с.

34. Металловедение и термическая обработка : справочник / ред. М. JI. Бер-штейн, А. Г. Рахштадт; М.: Металлургия, 1983. - 367 с.

35. Гольдшмидт, X. Д. Сплавы внедрения т.1 /X. Д. Гольдшмидт. М.: Мир, 1971.-424 с.

36. Косолапова, Т.Н. Карбиды/Т.Н. Косолапова.-М.:Металлургия,1968.-211с.

37. Самсонов, Г. В. Физическое материаловедение карбидов / Г. В. Самсонов, Г. Ш. Упадахая, В. С. Нешпор. Киев: Наукова думка, 1974. - 455 с.

38. Купалова, И. К. Диффузия вольфрама в аустените быстрорежущих сталей / И. К. Купалова, С. В. Земский // Металловедение и термическая обработка металлов 1968. - №2 - С. 10-12.

39. Купалова, И. К. Фазовый состав, структура и свойства быстрорежущей стали / И. К. Купалова // Материаловедение 1999. - №12 - С. 34-44.

40. Лоскутов, В. В. Шлифование металлов / В. В. Лоскутов. М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.

41. Митяев, А. А. К вопросу о силикокарбидной фазе в износостойких сплавах / А. А. Митяев, И. П. Волчок // Металловедение и термическая обработка металлов 2001 .-№ 10 - С. 24-27.

42. Чаус А. С. Влияние модифицирования на структуру и свойства литых вольфрамомолибденовых быстрорежущих сталей / А. С. Чаус, Ф. И. Рудницкий // Металловедение и термическая обработка металлов 1989. - №2 - С. 27-32.

43. Самсонов, Г. В. Твердые соединения тугоплавких металлов / Г. В. Самсонов, Я. С. Уманский. М.: Металлургиздат, 1957 - 237 с.

44. Еременко, В. Н. Многокомпонентные сплавы титана / В. Н. Еременко. -Киев: Изд-во АН УССР, 1962. 76 с.

45. Токарев, А. О. Износостойкие покрытия из порошкового самофлюсующегося сплава со сферическим релитом / А. О. Токарев // Сварочное производство 2000. - №7 - С.37-38.

46. Спиридонова, И. М. Износостойкие композиционные покрытия с наполнителями системы Fe-B-C / И. М. Спиридонова, Е. В. Суховая, С. Б. Пиляева // Автоматическая сварка 2003. - №1 - С.31-34.

47. Гун, Г. С. Упрочняющие и восстанавливающие покрытия / Г. С. Гун, А. М. Цун, В. В. Кривощапов, и др. Челябинск: Металлургия, 1991. - 160 с.

48. Зубкова, Е. Н. Изготовление металлорежущего инструмента методом наплавки / Е. Н. Зубкова // Сварочное производство 2002. - №7 - С.34-35.

49. Волошин, В. В. Пайка и наплавка при индукционном нагреве / В. В. Волошин. М. - JL: Машиностроение, 1965. - 92 с.

50. Лакедемонский, А. В. Справочник паяльщика / А. В. Лакедемонский, В. Е. Хряпин. М.: Машиностроение, 1967. - 48 с.

51. Лашко, Н. Ф. Пайка металлов / Н. Ф. Лашко, С. В. Лашко. М.: Машиностроение, 1988.-375 с.

52. Потапов, Н. Н. Основы выбора флюсов при сварки сталей / Н. Н. Потапов. М.: Машиностроение, 1979. - 168 с.

53. Кузнецов, Д. И. Многократное восстановление инструментов / Д. И. Кузнецов, А. Л. Иткин. М.: Машгиз, 1961. - 237 с.

54. Жудра, А. П. К вопросу выбора борсодержащих шихтовых материалов для сердечника порошковой проволоки / А. П. Жудра, С. Ю. Кривчиков, В. В. Петров // Автоматическая сварка 2004. - №4 - С. 55-56.

55. Королев, Н. В. Метод расчетного определения фазового состава и структуры износостойких наплавочных сплавов / Н. В. Королев, О. В. Пименова, В. Н. Бороненков // Сварочное производство 2002. - №4 - С. 11-16.

56. Бурылев, Б. П. Измерение и расчет температур плавления сварочных шлаков / Б. П. Бурылев, J1. П. Мойсов, Д. М. Лаптев // Сварочное производство -2002.-№2-С. 16-21.

57. Фролов, В. В. Поведение водорода при сварке плавлением / В. В. Фролов. -М.: Машиностроение, 1966. 54 с.

58. Рустем, С. Л. Оборудование термических цехов / С. Л. Рустем. М.: Машиностроение, 1971 - 150 с.

59. Слухоцкий, А. В. Индукторы для индукционного нагрева / А. В. Слухоц-кий. М.: Энергия, 1974 - 60 с.

60. Кидин, И. Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов / И. Н. Кидин. М.: Металлургия, 1969 - 376 с.

61. Вашуль, X. Практическая металлография. Методы изготовления образцов; пер. с нем. / X. Вашуль М.: Металлургия, 1988. - 320с.

62. Коваленко, В. С. Металлографические реактивы / В. С. Коваленко. М.: Металлургия, 1973. - 112 с.

63. Биронт В. С. Теория термической обработки металлов. Отжиг: учеб. пособие /B.C. Биронт. Красноярск: ГАЦМиЗ, 1997. - 208 с.

64. Сомов, А. И. Эвтектические композиции / А. И. Сомов, М. А. Тихоновский. М.: Металлургия, 1975. - 304 с.

65. Конвей, Дж. Упаковки шаров, решетки и группы, т. 1 / Дж. Конвей, Н. Слоэн.-М.: Мир, 1990.-415 с.

66. Тот, Л. Ф. Расположения на плоскости на сфере и в пространстве; ^тер. с нем. / Л. Ф. Тот. -М.: Физ.-мат. лит., 1958.-363 с.