Разработка технологии электроискрового легирования быстрорежущей стали твердыми сплавами на основе фаз внедрения

Автор: Купцов С.Г., Фоминых М.В., Мухинов Д.В., Вопнерук А.А., Валиев Р.М., Ведищев Ю.Г., Шак А.В., Иванов А.В.

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 1-2 т.12, 2010 года.

Бесплатный доступ

В статье рассмотрено влияние параметров электроискрового легирования на установке ЭЛАН твердыми сплавами на технологические свойства электроискровых покрытий. Определены оптимальные параметры процесса металлообработки.

Электроискровое легирование, твердые сплавы, частота, шероховатость, износ

Короткий адрес: https://sciup.org/148198953

IDR: 148198953

Текст научной статьи Разработка технологии электроискрового легирования быстрорежущей стали твердыми сплавами на основе фаз внедрения

Шак Андрей Васильевич кандидат технических наук, доцент

Иванов Андрей Валерьевич, студент расположен слой с понижающейся по глубине твердости и обладающий повышенной пластичностью. В процессе ЭИЛ происходит перенос материала анода, растворение его в основном материале и прочного сцепления поверхностного слоя с основой за счет их интенсивного смешивания в расплавленном состоянии в микрованне. Происходит изменение структуры, образование карбидов и карбонитридов, упрочнение поверхностного слоя, препятствующее перемещению дислокаций на поверхность, а также измельчение структурных составляющих, образование структур высокой гетерогенности. В результате перечисленных выше процессов при ЭИЛ происходит повышение твердости, прочности, износостойкости упрочняемого изделия. Наличие слоя повышенной пластичности под слоем с высокой твердостью обеспечивается упругость последнего, что снижает выкрашивание микрообъемов прикримочных зон инструмента. Метод не требует специальной подготовки обрабатываемых поверхностей, позволяет производить обработку инструментов различных размеров и конфигураций, изготовленных из различных инструментальных сталей, отличается простотой применяемого оборудования и достаточно высокой производительностью. В качестве электродов для ЭИЛ использованы как стандартные материалы: твердые сплавы Т15К6, КНТ16, ВК6; так и специально разработанный нами композиционный сплав TiB-B4C-TiN. Фазовый состав композиционных сплавов в зависимости от параметров получения приведен в таблице 1.

Таблица 1. Фазовый состав композиционного материала TiB 2 -B 4 C-TiNi при различных температурах спекания и времени изотермической выдержки

Состав электрода	Режим спекания		Фазовый состав электрода	Фазовый состав покрытия
Состав электрода	Т спек., ⁰ C	t спек., мин.	Фазовый состав электрода	Фазовый состав покрытия
(TiB 2 -TiNi10%) +B 4 C 5%	1350	30	TiB 2 ; TiNi; TiNi 3 следы Ni 3 B;B 4 C;	TiB 2 ; α-Fe; Fe 2 B; следы Fe 3 Ni 3 B
	1450	30	TiB 2 ; TiNi; Ni 3 B; следы TiC	TiB 2 ; α-Fe; TiNi; следы NiB
	1550	30	TiB 2 ; Ni 3 B следы TiC; TiNi; TiNi 3	TiB 2 ; α-Fe; NiB; следы Fe 2 Ti BN
	1450	90	TiB 2 ; NiB; следы TiNi; TiC;	TiB 2 ; α-Fe; NiB; следы Fe 2 B
(TiB 2 -TiNi20%) +B 4 C15%	1350	30	TiB 2 ; TiNi; TiNi 3 ; B B 4 C следы NiB; Ni 6 Ti 2 B	TiB 2 ; α-Fe; TiNi; Ti 2 Ni; Следы (BN) 0,26 C 0,74 ; Fe 3 Ni 3 B
	1450	30	TiB 2 ; TiNi; Ni 6 Ti 2 B; B B 4 C; следы NiB	TiB 2 ; α-Fe; TiNi; следы (BN) 0,26 C 0,74 ; NiB
	1550	30	TiB 2 ; TiNi; Ni 6 Ti 2 B; NiB; следы B 4 C; TiC	TiB 2 ; α-Fe; NiB; следы Ni 6 Ti 2 B; BN FeTi
	1450	90	TiB 2 ; NiB; TiC следы TiNi	TiB 2 ; α-Fe; NiB; оксиды Fe

Упрочнялись пластины из быстрорежущей стали Р6М5. Сравнительные испытания проводились при резании стали 40Х (закаленная) при скорости резанья 16 м/мин, в качестве эталона использовались такие же пластины из быстрорежущей стали Р6М5. Определялся износ пластин, шероховатость упрочненного слоя на пластинах, шероховатость обрабатываемой поверхности в зависимости от параметров напыления (частоты источника питания, емкости (энергии) разряда).

Работа выполнялась в три этапа. Режимы и материалы упрочнения приведены в таблице 2. На первом этапе было проведено предварительное определение области оптимальных параметров процесса ЭИЛ, внутри которых можно получить работоспособное покрытие. В качестве параметров оптимизации были выбраны частота источника питания, емкость (энергия) разряда, напряжение, состав композиционного материала. В результате работы на первом этапе была определена область оптимальных параметров (U=100 В, частота 1,37-22 кГц, емкость 1-6 мкФ, энергия 0,01-0,06 Дж). Композиционный материал: (TiB 2 –TiNi20%)+B 4 C 15 15%, Т сп =1450 ^о С, t сп =90 мин, а также твердый сплав ВК6.

На втором этапе работы в качестве параметров оптимизации использовалось уже непосредственно технологические параметры процесса резанья (износ режущей пластины на передней и задней поверхностях, шероховатость пластины после ЭИЛ, шероховатость обрабатываемой поверхности после резания). Показано, что:

1) С ростом емкости (энергии) незначительно растет шероховатость как режущей пластины, так и обрабатываемой поверхности (см. рис. 3, 4), как для сплава T15K6, так и для TiB 2 -B 4 C15%-TiNi20%;
2) То же самое наблюдается при росте частоты (см. рис 1, 2);
3) Износ передней и задней поверхностей режущей пластины представлен в табл. 2 и рис 5-7; шероховатость детали после обработки представлена на рис.8.

По результатам, полученным на втором этапе, были определены оптимальные параметры и композиции с целью оптимизации технологических параметров процесса металлообработки, которые приведены в табл. 3 и на рис.5-7. Для эталона Р6М5 скорость износа не зависит от времени и составляет по задней поверхности ~0,8 мкм/с, по передней поверхности ~1 мкм/с.

Таблица 2. Режимы и материалы упрочнения

№	Материал	C, мкФ	f ип , кГц	R рез , мкм	R дет , мкм	Износ, мкм
1	Т15К6	1	2,75	1,415	2,89	190
2	Т15К6	3	2,75	0,88	4,97	220
3	Т15К6	6	2,75	1,26	3,33	480
4	Т15К6	2	1,37	1,376	2,78	200
5	Т15К6	2	5,5	1,35	3,43	230
6	Т15К6	2	11	2,026	5,34	214
7	Т15К6	2	22	1,868	5,92	360
8	TiB2-B4C15-Ni20	1	1,37	1,397	2,75	450
9	TiB2-B4C15	3	1,37	1,507	2,9	243
10	TiB2-B4C15	6	1,37	1,29	3,6	300
11	TiB2-B4C15	1	2,75	1,379	2,9	234
12	TiB2-B4C15	3	2,75	1,658	5,87	150
13	КНТ16	3	2,75	1,298	5,85	170
14	ВК6	3	2,75	1,437	3,04	500

Частота импульсов разряда, кГц

⁶ 5 4 ³ 2 1 0		***

	-

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Энергия разряда, Дж

Ra резца Ra детали

резца детали

Рис. 1. Влияние частоты импульсов разряда на шероховатость покрытия резца и детали (материал покрытия Т15К6)

Рис. 3. Влияние емкости (энергии) разряда на шероховатость покрытия резца и детали (материал покрытия Т15К6)

Ra резца Ra детали

Рис. 2. Влияние частоты импульсов разряда на шероховатость покрытия резца и детали (материал покрытия TiB B 2 -B 4 C+TiNi20%)

Ra резца Ra детали

Рис. 4. Влияние емкости (энергии) импульсов разряда на шероховатость покрытия резца и детали (материал покрытия TiB 2 -B B 4 C15%+TiNi20%)

Таблица 3. Износ режущей пластины, мкм

Материал	ип ., кГц	С, мкФ	Износ, мкм									Ra, мкм
			3 минуты			6 минут			11 минут
			ЗП	ППН	ППК	З.П.	ППН	ППК	З.П.	ППН	ППК
Т15К6	1,37	2	95	159						229		4,022
Т15К6	11	2	182		250	200		274	200		287	5,258
TiB 2 -B 4 C15% +TiNi20%	2,75	2	105		150	162		280	165	212	285	2,94
TiB 2 -B 4 C15% +TiNi20%	5,5	1	119	187		135	218	154	167	220	225	3,178
ВК6	11	2	61		128	97		154	105	230	205	4,042

Показано, что во всех случаях износ и по передней поверхности и по задней поверхности не превышает 300 мкм за 11 минут. Обращает на себя внимание тот факт, что за первые 3 минуты износ составляет почти 2/3 от износа за 11 минут, т.е. с увеличением времени резания скорость износа уменьшается почти в 10 раз, что можно объяснить известным фактом разупрочнением поверхностного слоя в процессе ЭИЛ. Шероховатость обрабатываемой детали только в одном случае превысила 5 мкм (Т15К6).

Рис. 5 . Износ задней поверхности режущей пластины, мкм

□ 3 минуты
□ 6 минут
□ 11 минут

Рис. 6. Износ передней поверхности режущей пластины по радиусу, мкм
□ 3 минуты
□ 6 минут
□ 11 минут

Рис. 7. Износ передней поверхности режущей пластины по канавке, мкм
□ 3 минуты
□ 6 минут
□ 11 минут

□ Ra де т.,мк м

Рис. 8. Шероховатость детали после обработки, мкм, * - TiB B 2 -B 4 C15%+TiNi20%

Выводы:

1. Определена область оптимальных параметров ЭИЛ пластин из быстрорежущей стали Р6М5.
2. Износостойкость упрочненных пластин по разработанному режиму намного превысила в разы износостойкость эталонных (не упрочненных) пластин.
3. Шероховатость упрочненных пластин не превышает 2 мкм, обрабатываемых поверхностей не превышает 6 мкм, что является удовлетворительным результатом.
4. Необходима дальнейшая оптимизация процесса ЭИЛ, как с целью уменьшения шероховатости поверхности режущего инструмента и обрабатываемой детали, так и увеличения износостойкости покрытия, а также исследовать влияние режимов резания и геометрии режущего инструмента. Можно с уверенностью ожидать повышения работоспособности режущего инструмента по завершении всего комплекса исследований в десятки раз при хорошей чистоте обрабатываемой поверхности.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF ELECTROSPARK

ALLOYING THE FAST-CUTTING STEEL WITH HARD ALLOYS

ON THE BASIS OF INTRUSION PHASES

Maksim Fominyh, Senior Teacher

Dmitriy Muhinov, Engineer

Alexander Bopneruk, Post-graduate Student

Rivhat Valiev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Yuriy Vedishchev, Post-graduate Student

Andrey Shak, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Andrey Ivanov, Student

Статья научная