ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ НА ИЗМЕНЕНИЕ СТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS TYPES OF HARDENING TREATMENT ON THE CHANGE IN THE WEAR RESISTANCE OF CARBIDE TOOLS

Nikolay Loginov

candidate of Technical Sciences, Togliatti State University,

Russia, Togliatti

Alexandr Bachinskiy

Togliatti State University,

Russia, Togliatti

АННОТАЦИЯ

В статье приводится литературный обзор исследований увеличения стойкости твердосплавного режущего инструмента различными методами обработки. Сравниваются затраты на внедрение в технологический процесс изготовления инструмента различного рода упрочняющих методов и результаты производственных испытаний такого рода инструмента.

ABSTRACT

The article provides a literature review of studies on increasing the durability of carbide cutting tools by various processing methods. The costs of introducing various strengthening methods into the technological process of tool manufacturing and the results of production tests of such tools are compared.

Ключевые слова: режущий инструмент; износостойкость; твердый сплав.

Keywords: cutting tool; wear resistance; hard alloy.

На сегодняшний день в машиностроении очень большое внимание уделяется упрочнению металлорежущего инструмента. Целью этого является повышение износостойкости инструмента. С экономической точки зрения это объясняется тем, что в технологических операциях со снятием стружки большая доля расходов приходится на переточку и замену режущего инструмента.

Сейчас в промышленности режущий инструмент изготавливается из трех типов материалов: твердых сплавов, керамики и инструментальных сталей. В нашей работе отдадим приоритет твердым сплавам.

Одним из перспективных направлений развития металлообработки резанием является, так называемая сухая обработка, которая осуществляется при отсутствии смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Перспективным это направление является ввиду его большей экологичности. В отсутствии СОЖ в машиностроительном цехе не появляются вредные газы, вызванные испарением СОЖ при высокотемпературном процессе резания металлов.

Существует множество методов повышения износостойкости твердосплавного инструмента. Методы упрочнения твердосплавного режущего инструмента условно можно разделить на три группы [1]:

1) термическая обработка;

2) нанесение покрытий;

3) механическая обработка (алмазная обработка).

При алмазном шлифовании твердых сплавов происходит искажение кристаллической решетки и дробление блоков поверхностного слоя инструмента.

Авторами [2] описано, что стойкость режущего инструмента, шлифованного алмазным кругом в 1,7 раза больше, чем стойкость нешлифованного инструмента.

Исследованиями установлено, что при шлифовании с малым припуском происходит значительное искажение кристаллической решетки материала, а также дробление блоков в структуре. [1]

Для увеличения прочности твердых сплавов применяется вибрационная обработка в сочетании с алмазным шлифованием. При определенных условиях s_изг увеличивается на 25…50%, что увеличивает эксплуатационную стойкость твердосплавного режущего инструмента в 1,3 раза и оказывает экономический эффект. [3]

Еще одним методом упрочнения твердых сплавов является дробеструйная обработка, заключающаяся в бомбардировке обрабатываемой поверхности дробью. Это формирует поверхностный наклеп и упрочняет обрабатываемую поверхность. На поверхности, таким образом, формируются остаточные напряжения сжатия, которые, например, у самой поверхности сплава ВК15 [3] доходят до значений 1800 Н/мм². Для сравнения в состоянии после спекания у твердого слава остаточные напряжения на поверхности были 500 Н/мм².

Распространены способы увеличения прочности твердого сплава методами термической обработки. Здесь оказывают температурное воздействие, которое приводит к дроблению зерен, что изменяет физико-химические свойства сплавов. В большинстве случаев сплавы термически обрабатывают двумя следующими способами:

1) нагревают до температур 800…1250^оС с последующим охлаждением, причем охлаждение проводят в различных средах;

2) производят отпуск или отжиг при температурах 600…1250^оС продолжительностью в несколько часов.

Термически возможно воздействовать и на связующий элемент, который скрепляет зерна в твердых сплавах (чаще всего им является кобальт). Концентрация связующего элемента в сплавах разнится в зависимости от способа изготовления сплава.

Качественно улучшенные физико-механические свойства твердых сплавов можно получить, воздействуя на них высококонцентрированными тепловыми источниками, такими как лазеры. При этом можно достичь более высоких показателей твердости сплавов, их прочности и вязкости.

При лазерном нагреве поверхностного слоя твердых сплавов изменяется структура только поверхности, тогда как структура основного материала остается прежней. Это в некоторых случаях становится выгодным явлением. [4, 5]

Еще одним, наиболее выгодны способом упрочнения твердых сплавов, является нанесение покрытий.

Авторами [6] обозначено, что наилучшими химическими соединениями, уменьшающими трибологические свойства поверхностного слоя инструмента являются сульфиды и оксиды. Наиболее предпочтительными являются оксиды, так как они образуются естественным путем на граничных слоях любого материала в воздушной среде. При определенных условиях создание оксидных пленок на поверхности детали создается поверхностное упрочнение (возникает эффект Роско). В присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) снижается сопротивление сдвигу при трении. Это так называемый эффект Ребиндера.

В работе [6] исследовались образцы из твердых сплавов ВК6 и Т15К6, подверженных подверженных термогидрохимической обработке. В результате проведенных исследований авторами сделан вывод о том, что после проведения ТГХО полученные износостойкие покрытия имеют низкий коэффициент трения (f = 0,106).

Результаты рентгеновских исследований показали, что после ТГХО количество дислокаций образцов существенно не изменяется.

Таким образом, [2] сделан вывод, что испытания режущих инструментов после ТГХО показали увеличение стойкости в 1,3…4,0 раз.

В источнике литературы [7] описывается, что при термогидрохимической обработке на поверхности инструментов из различных материалов (стали, сплавы) осаждаются антифрикционные твердосмазочные покрытия, способствующие снижению коэффициента трения инструментов об обрабатываемый материал.

Авторы [7] описывают, что для формирования математической модели процесса ТГХО удобно использовать методологический подход, называемый многомерным проектным синтезом технологической системы.

Производственные испытания обработанного ТГХО инструмента показали стабильное увеличение стойкости различного инструмента, поэтому авторами [7] рекомендуется проведение данных мероприятий с целью получения экономической выгоды.

Авторы [8] утверждают, что наилучшими свойствами обладают твердые сплавы с метастабильными микроструктурами. К таким состояниям материалы можно привести двумя путями: созданием избыточной свободной энергии внешней и внутренней поверхности раздела материала инструмента или созданием избыточной свободной энергии материала и окружающей среды.

Авторами [9] сделан вывод о том, что коэффициент трения образцов из ВК6 снизился с уровня 0,4…0,44 до значения 0,106, что соответствует снижению в 3,8…4,1 раза.

В источнике [10] авторами описывается, что при ТГХО в твердых сплавах формируется два типа композиционной структуры: одна состоит из макроэлементов с различными свойствами, а другая является нанокомпозитной. Первая образуется при всех режимах ТГХО, а вторая – только после гидрохимического нагрева покрытия до температуры свыше 500^оС. В последней сочетаются нанокомпозитные и поликомпозитные зерна. Такая структура наиболее выгодна, так как при этом стойкость инструмента наибольшая.

В заключении [10] говорится о существенном повышении (в 3,8 раза) стойкости инструмента из твердого сплава ВК6, упрочненного ТГХО на оптимальных режимах. Также указано, что данный процесс внедрен в ведущие действующие машиностроительные предприятия Белоруссии.

В исследованиях [11] авторами изучались трибологические свойства покрытий, нанесенных методом ТГХО на твердый сплав ВК6. Испытания показали, что этим методом на твердом сплаве формируется покрытие толщиной до 1 мкм. На образцы наносилось покрытие из нанооксидов, нанокарбидов и нанонитридов. Измерения коэффициентов трения образцов показали, что наименьшими коэффициентами обладают образцы с покрытием из нанооксидов.

Автором [12] утверждается, что упрочнение твердыми растворами – это процесс, когда в кристаллическую решетку упрочняемого материала путем замещения или внедрения вводится частицы упрочняющего материала. Твердый раствор замещения формируется, если частицы упрочняющего материала замещают частицы основного материала на их законных местах в кристаллической решетке. Такой материал называется твердым раствором замещения.

Таким образом, процесс термогидрохимического упрочнения является наиболее малозатратным и эффективным способом упрочения твердосплавного режущего инструмента, при котором возможно повысить стойкость инструмента до 8 раз. Качество поверхности при этом не изменяется, поэтому инструмент не требует дополнительной механической обработки.

Список литературы:

1. Богодухов С.И., Козик Е.С., Свиденко Е.В. Упрочнение твердых сплавов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. №11. С. 3-9.
2. Хает Г.Л., Гах В.М., Громаков К.Г. Сборный твердосплавный инструмент. – М.: Машиностроение. 1989. – 360 с.
3. Лошак М.Г. Прочность и долговечность. – Киев : Наукова думка. 1984. – 148 с.
4. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. – М. : Машиностроение. 1989. – 304 с.
5. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. – М. : Изд-во МШТУ им. Н.Э.Баумана. 2006. – 664 с.
6. Шматов А.А., Девойно О.Г., Лисовская Ю.О. Модифицирование твердого сплава методом ТГХО // Ползуновский вестник. 2012. №1-1. С. 359-364.
7. Шматов А.А., Жилинский О.В., Марочкина С.И., Соломянский А.Е. Компьютерное проектирование процесса ТГХО для получения на стали У8 твердосмазочного SIC покрытия // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. 2014. №3. С. 53-61.
8. Martin, J.W., Doherty R.D. Stability of microstructure in metallic systems. – London, New York, Melbourne: Cambridge University Press, 1978. – 280 р.
9. Шматов А.А. Упрочняющий эффект термогидромеханической обработки инструментальных материалов / Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. 2014. № 11. С. 112-120.
10. Витязь П.А., Шматов А.А., Девойно О.Г. Упрочнение твердого сплава методом термогидрохимической обработки // Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2013. Т. 57. № 1. С. 113-117.
11. Шматов А.А. Девойно О.Г. Термогидрохимическая обработка твердых сплавов в вододисперсных оксидных средах // Вестник Брестского государственного технического университета. Машиностроение. 2011. № 4 (70). С. 19-25.
12. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента : учебник для студентов втузов. – М. : Машиностроение, 2009. – 368 с.