WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Все этапы вакуумно-плазменной обработки протяжного инструмента из быстрорежущей стали (прогрев, очистка, азотирование и нанесение покрытий) производились за один технологический цикл в многофункциональной установке “Станкин-АПП-2”, оснащенной устройством для генерации плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, вакуумно-дуговыми испарителями, многоканальной системой напуска газа, системой бесконтактного контроля за температурой обрабатываемого инструмента, а также целым комплексом вспомогательного оборудования для измерения и контроля параметров процесса обработки.

Подготовка металлографических шлифов осуществлялась на оборудовании фирмы Struers (Дания), в состав которого входят универсальный отрезной станок, автоматический гидравлический пресс, станок для предварительного шлифования, станок для окончательного шлифования и полировки микрошлифов Abramatic.

В третьей главе представлены исследования по оптимизации параметров комплексной обработки поверхности образцов из порошковой быстрорежущей стали Р12М3К5Ф2-МП, включающей в себя применение двух технологических процессов - ионного азотирования и нанесения износостойкого покрытия. Их применение обеспечивает получение на поверхности инструмента износостойкого комплекса с уникальной комбинацией свойств, которые невозможно получить ни одним из этих процессов в отдельности.

Для определения оптимальных параметров процесса были проведены исследования характеристик режима двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. Доказано, что обработка в газовой плазме наиболее эффективно может регулироваться изменением величины напряжения смещения и значением соотношения токов катода и дополнительного анода.

Были исследованы свойства формирующегося в условиях вакуумнодугового разряда азотированного слоя, которые определяются целым рядом технологических факторов (температурой, временем и соотношением газов Ar\N2 в смеси). Управляя ими, можно регулировать структуру, толщину и микротвердость слоя, которые определяют комплекс необходимых свойств инструмента с учетом конкретных условий его эксплуатации. Результаты экспериментов и исследований позволили определить оптимальные свойства азотированного слоя. На рис. 1 представлен характер изменения микротвердости в поверхностном слое образца из порошковой быстрорежущей стали Р12М3К5Ф2-МП после азотирования в газовых смесях с различными вариантами соотношения азот/аргон.

Рис. 1. Распределение микротвердости в поверхностном слое образца из стали Р12М3К5Ф2-МП. Режим азотирования: содержание азота в смеси 30%, 40% и 60 % масс.

N2, температура азотирования 480оС, время азотирования 0,5 ч В результате проведенных металлографических исследований было установлено, что при ионном азотировании в атмосфере чистого азота на по верхности инструмента формируется нитридный слой с повышенным содержанием азота (рис. 2), который отрицательно влияет на прочность адгезионной связи покрытия с инструментальной основой, снижая тем самым эффективность применения комплексной обработки.

Рис. 2. Микроструктура поверхностного слоя образца из стали Р12М3К5Ф2-МП после азотирования. Режим азотирования: содержание азота в смеси 100% масс. N2, температура азотирования 480оС, время азотирования 1 ч Для исследования изменения параметров азотированного слоя после нанесения сложнолегированного покрытия из нитридов тугоплавких металлов проводили комплексную обработку образцов из стали Р12М3К5Ф2-МП при времени азотирования 30-60 мин, давлении газовой смеси 0,3 Па, температуре азотирования 480C, времени нанесения покрытия 60 мин при различных соотношениях газов азот/аргон.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что при всех режимах азотирования после нанесения покрытия наблюдается заметное увеличение общей толщины азотированного слоя до 200-300 мкм (в 2-3 раза) и возрастание максимальных значений микротвердости (рис. 1 и 3). Это связано с диффузией азота вглубь быстрорежущей основы из поверхностных слоёв.

Рис. 3. Распределение микротвердости в поверхностном слое образца из стали Р12М3К5Ф2-МП после нанесения покрытия (NbTiAl)N в течение 1 часа при температуре (450-470)оС. Режим азотирования: содержание азота в смеси 30%, 40% и 60 % масс. N2, температура азотирования 480 оС, время азотирования 0,5 ч Металлографические исследования структуры поверхности инструмента, подвергнутого комплексной обработке, показали, что для азотирования в газовой смеси с большим содержанием азота характерно образование строчечной структуры из-за высокого содержания карбидообразующих легирующих элементов (рис. 4 и 5).

Для выбора оптимального состава покрытия в работе были исследованы сложнолегированные композиционные покрытия двух видов (TiCr)N и (NbTiAl)N. Аттестация качества получаемых покрытий проводилась по следующим критериям: внешний вид; показатели микротвёрдости; толщина покрытия; шероховатость поверхности; хрупкость покрытия; прочность адгезионной связи покрытия к основе.

Практически по всем критериям наиболее предпочтительные показатели имело покрытие (Nb,Ti,Al)N, которое было выбрано в качестве основного для дальнейших исследований.

Рис. 4. Микроструктура поверхностного слоя образца из стали Р12М3К5Ф2-МП после нанесения покрытия (NbTiAl)N в течение 1 часа при температуре (450-470)оС.

Режим азотирования: содержание азота в смеси 30% масс. N2, температура азотирования 480 оС, время азотирования 1 ч.

Рис. 5. Микроструктура поверхностного слоя образца из стали Р12М3К5Ф2-МП после нанесения покрытия (NbTiAl)N в течение 1 часа при температуре (450-470)оС.

Режим азотирования: содержание азота в смеси 60% масс. N2, температура азотирования 480 оС, время азотирования 1 ч.

В связи с тем, что процесс упрочнения проходит в одном технологическом цикле (азотирование + нанесение покрытия), становится важным изменение рельефа поверхности в процессе азотирования, т.к. это влияет на конечные характеристики шероховатости поверхности после нанесения покрытия и качество поверхности обрабатываемого изделия..

Одним из режимов, влияющих на шероховатость поверхностного слоя в процессе азотирования, является соотношение газов азота и аргона в смеси.

Для оптимизации концентрации азота в газовой смеси были проведены эксперименты по влиянию объемной доли N2 при азотировании протяжного инструмента на шероховатость поверхности изделия, полученной в результате обработки опытными протяжками с различными вариантами комплексного упрочнения. Для решения задачи оптимизации была построена экспоненциально-степенная математическая модель вида:

a Ra = cK exp(bK ) N N Значения параметров модели c,a и b вычисляли методом наименьших квадратов по программе MOD-UNI, разработанной на кафедре ВТО МГТУ “Станкин”. Оптимальные значения параметров были получены путем решеRa ния уравнения: = 0. Установлено, что оптимальная объемная доля N2 в K N газовой смеси аргон/азот составляет 0.25.

Исходя из проведенного анализа результатов металловедческих исследований и решения математической модели, были определены оптимальные режимы комплексной упрочняющей обработки протяжного инструмента из порошковой быстрорежущей стали Р12М3К5Ф2-МП.

В четвертой главе представлены исследования влияния вакуумноплазменной обработки, включающей процессы ионного азотирования и нанесения покрытия, на интенсивность и характер изнашивания протяжного инструмента из быстрорежущей стали при обработке образцов из жаропрочного сплава ЭП741НП и теплостойких сталей типа ЭП517 и ЭП609Ш.

В ходе проведения экспериментальных испытаний установлено, что выбор конструкции износостойкого комплекса зависит от обрабатываемого материала. При протягивании жаропрочных сплавов типа ЭП609Ш наиболее эффективным видом упрочнения инструмента из порошковой быстрорежущей стали оказалось нанесение однослойного сложнолегированного покрытия (NbTiAl)N. Для обработки жаропрочных никелевых сплавов ЭП741НП целесообразно использовать протяжной инструмент с комплексным упрочнением, включающим ионное азотирование и последующее осаждение слож нолегированного покрытия (NbTiAl)N. Оценка эффективности применяемых покрытий проводилась путем сравнительных измерений величины износа по задней поверхности у исходных и упрочненных протяжек (рис. 6).

а) б) Рис. 6. Сравнительные фотографии, иллюстрирующие износ по задней поверхности у исходного (фото вверху) и упрочненного (фото внизу) инструмента:

а) состояние задней поверхности инструмента после протягивания образцов из жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП. Режимы обработки: скорость протягивания Vпр=1,м/мин, Sz=0,07 мм/зуб, суммарная длина протягивания Lпр= 4900 мм, СОТС - МР-б) состояние задней поверхности инструмента после протягивания образцов из жаропрочной стали ЭП609Ш. Режимы обработки: скорость протягивания Vпр=25 м/мин, Sz=0,мм/зуб, суммарная длина протягивания Lпр= 31,2 м, СОТС - МР-Замедленное развитие износа у инструмента с комплексной обработкой объясняется тем, что поверхностный азотированный слой, формируемый под покрытием, обладает повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью и имеет высокое сопротивление микропластическим деформациям. Все это способствует торможению процессов разупрочнения у задней поверхности. Однако, как показали испытания, увеличение концентрации азота до 40% при азотировании в среде азот/аргон, несколько снижает эффективность использования комплексного упрочнения протяжного инструмента при обработке жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП. Это объясняется тем, что повышенное содержание азота, увеличивая твердость режущего клина протяжки, снижает его прочность и создает “благоприятные” условия для образования хрупких микросколов на режущей кромки инструмента, что приводит к его более интенсивному изнашиванию.

Проведенные сравнительные экспериментальные и производственные испытания протяжного инструмента показали, что на этапе приработки не наблюдается существенного влияния вариантов упрочнения на интенсивность изнашивания. Влияние упрочняющей обработки проявляется на этапе стабилизации и, в большей степени, на этапе установившегося режима работы протяжки (рис. 7).

Отмечено, что при обработке жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП, зубья с чистовой подачей (Sz=0,02 мм/зуб) и калибрующие зубья имели повышенный износ. Это объясняется высокой степенью упругого восстановления и склонностью жаропрочных сплавов к наклепу, в результате чего обрабатываемая поверхность получает дополнительную твердость, а последующие зубья снимают стружку с более наклепанной поверхности. Режущие зубья (Sz=0,07 мм/зуб) в связи с тем, что подъем на зуб на них больше глубины залегания остаточных напряжений, работают по менее твердому недеформированному материалу.

Р12М3К5Ф2-МП (Nb,Ti,Al)N+азотирование Ar/N=70/30% (Nb,Ti,Al)N+азотирование Ar/N=60/40% (Nb,Ti,Al)N С мех.креплением ВК0.0.0.0.0.0 1225 2450 3675 Суммарная длина протягивания, мм Рис. 7. Кинетика изнашивания протяжного инструмента, изготовленного из различных марок материалов, при протягивании образцов из жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП (Vпрот=1,5 м/мин, Sz=0,02 мм/зуб) Проведенные исследования позволили установить, что оптимальным режимом упрочняющей обработки протяжного инструмента из порошковой быстрорежущей стали Р12М3К5Ф2-МП при скоростном протягивании (Vпрот = 10 м/мин) пазов в дисках турбины из жаропрочных сталей типа ЭП517, ЭП609, является: ионная очистка и прогрев инструмента до температуры 3000С в режиме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР), нанесение сложнолегированного покрытия (NbTiAl)N при температуре 450-С в течение 70 мин.

Оптимальным режимом для упрочняющей обработки протяжного инструмента, предназначенного для работы по жаропрочным сплавам типа ЭП741НП, является: азотирование в течение 30 мин при температуре 4800С с соотношением газов аргон/азот = 70/30 % в режиме ДВДР; ионная очистка в режиме ДВДР 5-7 мин.; нанесение сложнолегированного покрытия (NbTiAl)N при температуре 450-480 0С в течение 75 мин.

мм Величина износа по задней поверхности, Результаты проведенных испытаний по протягиванию пазов в дисках турбины протяжным инструментом с комплексной ионно-плазменной обработкой были внедрены и в настоящее время используются в производстве на ФГУП ММПП “Салют”.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное значение для машиностроения и состоящая в повышении производительности сложнопрофильного протяжного инструмента при обработке деталей из жаропрочных материалов за счет применения комплексного упрочнения, включающего ионное азотирование и нанесение сложнолегированного износостойкого покрытия (Nb,Ti,Al)N на инструмент из порошковой высоколегированной стали Р12М3К5Ф2-МП.

2. На основе экспоненциально-степенной математической модели и экспериментальных исследований установлено, что наибольшее влияние на интенсивность и характер изнашивания протяжек с покрытием, шероховатость обработанной поверхности оказывает структура и глубина азотированного слоя, зависящая от давления азота и его концентрации в газовой смеси Ar/N2 при азотировании, продолжительности процесса упрочнения инструмента и времени нанесения покрытия, температуры ионноплазменной обработки. Минимальная интенсивность изнашивания протяжного инструмента из стали Р12М3К5Ф2-МП при обработке сплава ЭП741НП достигается при следующих режимах: азотирование в газовой среде Ar/N2 в соотношении 70/30% соответственно в течение 30 минут с последующим осаждением сложнолегированного покрытия (NbTiAl)N в течение 75 минут.

3. Экспериментальные исследования влияния условий ионно-плазменного упрочнения на структуру формируемого слоя показали, что, регулируя состав газовой атмосферы путем разбавления азота инертным газом (аргоном), можно подавить образование на поверхности инструмента хрупкой нитридной зоны. В зависимости от параметров процесса ионного азотирования микротвердость поверхностного слоя порошковой стали типа Р12М3К5Ф2МП может быть увеличена до 1160-1490 кгс/мм2.

4. Экспериментальные исследования влияния ионно-плазменных покрытий на изменение исходной шероховатости (Ra 0,61-0,66 мкм) инструментальной основы из порошковой быстрорежущей стали показали, что нанесение покрытий может несколько снижать чистоту обрабатываемой поверхности, что необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации инструмента с покрытием – шероховатость инструмента с покрытием (TiCr)N составляет Ra=0,76-0,83 мкм, а с покрытием (NbTiAl)N – Ra=0,68-0,мкм.

5. Проведенные стойкостные испытания показали, что выбор варианта ионно-плазменной обработки протяжного инструмента из порошковой быстрорежущей стали существенно зависит от обрабатываемого материала:

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»