Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом. Учебное пособие
.pdf
Свойства инструментальных материалов
2.2. Материалы инструмента
Таблица 2.3
Свойство
Коэффициент трения – 0,10…0,15 0,2 0,78
Коэффициент термиче‑
ского расширения
Теплопроводность Вт/(м·К) 100…250 95 48
Прочность на сжатие Н/мм
Вязкость разрушения МПа·м
Твердость по Виккерсу кг/мм
Предел прочности Н/мм
Прочность на попереч‑
ный разрыв
Размер‑
ность
–6
10
·°C
Н/мм
PCBN WC AISI 4340
–1
2
0,5
2
2
2
4,6…4,9 4,9…5,1 11,2…14,3
2700…3500 6200 690
3,5…6,7 11 100
2600…3500 1300…1600 280
– 1100 620
500…800 2200 –
Материал
Нитрид бора BN имеет две кристаллические структуры: гекса‑
гональную и кубическую. Наилучшие свойства инструмента дости‑
гаются при использовании однофазного кубического нитрида бора
(CBN), произведенного без использования какого‑либо связующего.
Такой инструмент может быть получен спеканием коммерчески чи‑
стого гексагонального нитрида бора при высоких значениях давле‑
ния (6…8 ГПа) и температуры (1773…2673 К). Вязкость разрушения
для PCBN с размером зерна в диапазоне 2…12 мкм составляет порядка
7 МПа · м
0,5
[23]. Смесь CBN со связующими переходит от пластично‑
сти к хрупкости в диапазоне температур 1323…1423 К в зависимости
от доли нитрида по отношению к другим фазам. Исследования изно‑
состойких свойств PCBN по закаленным сталям и жаропрочным спла‑
вам показали, что основными механизмами износа являются истира‑
ние и диффузия. Кениг В. и Нейсес А. [24] изучили износ двух марок
PCBN с различными размерами CBN и связующего. В первом случае
связующим веществом был AlN–AlB2, во втором — карбид титана TiC
с небольшим содержанием диборида алюминия AlB2 и вольфрама W.
Содержание СBN составляло 88 и 50 % в первом и втором случаях со‑
ответственно. Поскольку связующее обычно намного мягче керамики,
его концентрация влияет на износостойкость инструмента. Нагрев ин‑
струмента при 1223 К показал, что связующее перекристаллизовалось,
в то время как кристаллы CBN остались неизменными. Не было об‑
наружено никаких признаков химической реакции между связующим
41
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
и материалом заготовки (сталь марки 100Cr6). Более высокая тепло‑
проводность PCBN (100…250 Вт/(м·К)) по сравнению с теплопрово‑
дностью сплава вольфрам‑рений W–Re25 (55…65 Вт/(м·К)) приводит
к более высоким теплопотерям и более низким температурам заго‑
товки. Износ инструмента PCBN был незначительным по сравнению
с W–Re. Микроструктурные различия, такие как наличие перекри‑
сталлизованных зерен в сварных швах, выполненных с помощью ин‑
струмента PCBN, объяснялись различиями в теплопроводности двух
инструментальных материалов.
С помощью сканирующего электронного микроскопа получено
изображение поверхности образца PCBN марки CBN050 (рис. 2.22).
Рис. 2.22. Сканирующая микроскопия PCBN марки CBN050
Поверхности инструмента PCBN притираются и полируются
(рис. 2.23).
Однако из‑за высоких температур и давлений при изготовлении
PCBN стоимость инструмента примерно в два раза превышает стои‑
мость аналогичного инструмента из твердого сплава.
Сиалон (SiAlON) — это керамика на основе кремния (Si), алюми‑
ния (Al), кислорода (O) и азота (N), представляющая собой твердый
раствор нитрида кремния (Si3N4), в котором связи Si–N частично заме‑
щены связями Al–N и Al–O. Сиалоновая керамика состоит, главным
образом, из трех фаз: альфа‑ (a‑), бета‑ (b‑) и аморфная или частично
кристаллизованная зернограничная фаза. Процентное соотношение
42
2.2. Материалы инструмента
a‑ и b‑фаз может изменяться, что позволяет получать α/β‑сиалоновые
материалы с различными свойствами.
а б
Рис. 2.23. Топография поверхности притертых (а) и отполированных (б)
образцов CBN050 [25]
Производство сиалона осуществляется путем объединения смеси
исходных материалов, включая нитрид кремния, оксид алюминия,
нитрид алюминия, кремнезем и редкоземельный оксид, такой как ит‑
трий. Из порошковой смеси посредством изостатического прессова‑
ния порошка или литья получают так называемую зеленую заготовку
(Green compact — неспеченная порошковая заготовка) [26]. Затем фа‑
сонную форму уплотняют с помощью спекания без давления или го‑
рячего изостатического прессования.
Одной из наиболее распространенных торговых марок данной
керамики является Syalon производства фирмы International Syalons
(Newcastle) Ltd (табл. 2.4).
Таблица 2.4
Физические свойства сиалоновой керамики фирмы International Syalons
Торговая марка материала
Характеристика
Состав
Плотность 3,23 3,24 2,65 3,24 4,01 г/см
Пористость 0 0 10 0 0 %
Модуль упругости
при 20 °C
Модуль упругости
при 1000 °C
Syalon
050
a/b‑
сиалонb‑сиалон
800 945 500 825 825 МПа
750 700 400 750 – МПа
Syalon
101
Syalon
110
b‑сиалон
/ BN
Syalon
201
b‑сиа‑
лон
Syalon 501
b‑сиа лон
/ TiN
Единица
измерения
–
3
43
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
Окончание табл. 2.4
Торговая марка материала
Характеристика
Модуль Вейбулла 12 15 10 10 11 –
Модуль упругости
Юнга
Коэффициент Пу‑
ассона
Твердость (HRA) 94 92 88 92,7 90,5 –
Твердость по Вик‑
керсу HV50
Вязкость разру‑
шения
Коэффициент те‑
плового расшире‑
ния (0…1200 °C)
Теплопроводность 20 28 27 21 19 Вт/(м·К)
Устойчивость
к тепловому удару
Максимальная
температура
Удельное электри‑
ческое сопротив‑
ление
Syalon
050
290 288 139 290 340 ГПа
0,23 0,23 0,19 0,23 0,31 –
19,81 14,71 11,77 16,18 13,24 ГПа
6,5 7,7 3,5 4,5 5,7 МПа·м
3,2·10–63,0·10–63,0·10–63,0·10
600 900 800 600 400 °C/с
1450 1200 1450 1450 700 °C
1012 1012 1012 1012 7,2·10
Syalon
101
Syalon
110
Syalon
201
Syalon 501
–6
5,6·10
–6
–4
Единица
измерения
0,5
–1
К
Ом·см
Сиалон марки Syalon 050 (рис. 2.24, а) является представителем
класса a/b‑сиалонов с преимущественным содержанием a‑фазы, для
которой характерна высокая прочность. Для стабилизации структуры
в состав α‑сиалона входят редкоземельные ионы. Во время спекания
и последующей термической обработки α‑сиалонов межзеренная фаза
поглощается в структуру, в результате чего получается плотная, твер‑
дая керамика, сохраняющая свойства при температуре до 1400 °C. Важ‑
ным дополнительным преимуществом является стойкость к окисле‑
нию и абразивному износу.
Представителем β‑сиалонов является сиалон марки Syalon 101
(рис. 2.24, б), в состав которого входит оксид иттрия (Y2O3). Харак‑
терной особенностью β‑сиалонов является высокая ударная вязкость.
Во время спекания при температурах выше 1400 °C оксиды вступают
в реакцию с образованием жидкости из оксинитрида иттрия и алю‑
44
2.2. Материалы инструмента
миния, которая необходима для уплотнения. Бета‑сиалон отличается
высокой стойкостью к тепловому удару и химической стабильностью
при контакте с расплавленными металлами.
а б
Рис. 2.24. Микроструктура сиалоновой керамики марок Syalon 050 (а)
и Syalon 101 (б)
Введение в исходную смесь нитрида бора BN (сиалон марки Syalon
110) влияет на плотность и однородность синтезируемого материала,
что обеспечивает повышенную стойкость к тепловому удару и темпе‑
ратурную стабильность до 1450 °C.
Добавление в исходную смесь нитрида титана TiN обусловлива‑
ет высокую электропроводность b‑сиалона марки Syalon 501, кото‑
рый может быть подвергнут электроразрядной обработке при слож‑
ной форме.
Тепловые свойства b‑ и a/b‑сиалонов зависят от температуры
и процентного отношения фаз в составе керамики (рис. 2.25). Уве‑
личение содержания b‑фазы обусловливает более высокие значения
тепло‑ и температуропроводности сиалона при заданной температу‑
ре. С увеличением температуры значения тепло‑ и температуропро‑
водности уменьшаются.
Фрикционная поверхностная закалка является прерывистым про‑
цессом, осуществляющимся в условиях высокой температуры и абра‑
зивности материала, поэтому инструмент должен обладать высокой
твердостью, прочностью, химической и термической стабильностью.
Этому набору требований в полной мере отвечает инструмент с рабо‑
чей частью из материала марки Syalon 050 (рис. 2.26).
45
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
1000
0,07
16
а б
2
0,06
0,05
0,04
0,03
Температуропроводность, см /с
0,02
0
400
4200
Температура, °С Температура, °С
b-Sialon b-Sialon
a 20 %; b 80 % a 20 %; b 80 %
a 40 %; b 60 % a 40 %; b 60 %
a 90 %; b 10 % a 90 %; b 10 %
1000
800
600
12
8
Теплопроводность, Вт/(м·К)
4
0
200
400
600
800
Рис. 2.25. Зависимость температуропроводности (а)
и теплопроводности (б) сиалонов от температуры
Рис. 2.26. Конструкция державки с цилиндрическим инструментом
диаметром 10 мм из материала марки Syalon 050
Ниже приведены справочные данные по физическим свойствам
сиалона марки SX9, разработанного японской фирмой NGK SPARK
PLUG Co., Ltd (Япония):
прочность на изгиб, МПа .................................................................1150
твердость по Виккерсу, ГПа .............................................................17,5
вязкость разрушения, МПа·м
модуль Юнга, ГПа .............................................................................1,2
коэффициент теплового расширения, К
теплопроводность, Вт .......................................................................15
46
0,5
........................................................1,9
–1
......................................3·10
–6
2.3. Управление термическим циклом фрикционной поверхностной закалки
Допустимая (предельная) температура в контактной зоне инстру‑
мента не должна превышать 1080 °C. В работе [27] показано, что в про‑
цессе FSW в диапазоне температур 680…1080 °C разрушений инстру‑
мента не наблюдается.
Использование сиалоновой керамики для фрикционной поверх‑
ностной закалки позволяет обеспечить баланс между производствен‑
ными затратами и термостойкостью.
2.3. Управление термическим циклом
фрикционной поверхностной закалки
Технологическими параметрами процесса фрикционной поверх‑
ностной закалки (ФПЗ) вращающимся инструментом являются нор‑
мальная сила Fн, частота вращения n, скорость подачи f инструмента
и коэффициент трения µ в контакте инструмента с упрочняемым по‑
верхностным слоем.
Основными тепловыми параметрами процесса являются мощность
фрикционного тепловыделения Pµ, тепловой поток в инструмент jи,
тепловой поток в упрочняемый материал jм и плотность фрикцион‑
ного теплового потока в упрочняемый материал qм (рис. 2.27).
f
F
н
n
j
и
P
μ
j
м
Рис. 2.27. Схема технологических и тепловых параметров процесса ФПЗ
Мощность фрикционного тепловыделения Pµ в контакте ци‑
линдрического инструмента, имеющего плоский торец с радиусом
47
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
P
4
3
ни
,
q
P
P
тп и
ηη
π
µµ
,
η
ϕϕ
µµ
ми
PP
1.
Rи, может быть определена по зависимости, предложенной в работе
Ø. Frigaard [27]:
FnR
πµ=
µ
(2.1)
где µ — коэффициент трения; F
— нормальная сила, Н; n — частота
н
вращения инструмента, об/мин.
Плотность тепловой мощности фрикционного нагрева вращаю‑
щимся инструментом обрабатываемого материала в случае равномер‑
ного распределения по пятну нагрева площадью Атп может быть вы‑
числена по зависимости
==
м
А
(2.2)
2
R
где hм — коэффициент разветвления выделяемого тепла в заготовку.
Коэффициент разветвления теплового потока применялся в рабо‑
тах X. Tian [28] при исследовании скольжения торца цилиндрическо‑
го пальца по поверхности диска. Коэффициент hм с учетом теплового
потока в инструмент и мощности тепловыделения может быть вычис‑
лен по следующей зависимости:
==−
(2.3)
Коэффициент h показывает долю тепловой мощности, отводимой
в обрабатываемый материал, и также может быть определен при конеч‑
но‑элементном моделировании процесса ФПЗ или экспериментально.
Управление фрикционной поверхностной закалкой инструментом
с плоским торцом состоит в поэтапном решении многофакторной за‑
дачи установления взаимосвязи параметров термического цикла с те‑
пловыми и технологическими параметрами процесса:
• определение требуемой мощности фрикционного тепловыде‑
ления P
, плотности теплового потока qм и времени tр, необхо‑
µ
димых для разогрева материала до температуры Tм > AC3, в зави‑
симости от комбинации величин нормальной силы Fн, частоты
вращения n и коэффициента трения µ в контакте инструмента
(этап управления тепловыделением и разогревом);
• выявление взаимосвязи температуры Tм и скорости нагрева
vн = dTм/dt материала, а также температурной выдержки tg при
Tм > AC3 и глубины диффузии углерода hD в поверхностный слой
48
2.3. Управление термическим циклом фрикционной поверхностной закалки
со скоростью подачи инструмента fи, при которой происходит
полная аустенизация и не допускается расплавление материа‑
ла в контактной зоне (этап управления аустенизацией);
• установление зависимости скорости охлаждения матери‑
ала v
от подачи инструмента fи, обеспечивающей при g →
охл
→ a‑превращении формирование мартенситной фазы на задан‑
ной глубине от поверхности (этап управления охлаждением).
Схему взаимосвязи основных параметров процесса фрикционной
поверхностной закалки на этапах нагрева, аустенизации и охлаждения
упрочняемого материала можно представить в виде обобщенной мо‑
дели управления термическим циклом (рис. 2.28).
Тепловыделение
F
н
μ
P
n
μ
R
t
p
f
t (f = 0)
р
и нагрев
j
и
q
м
j
м
T (q ,t ,f )
м м p
t (f )
н
Аустенизация
v (t,h)
н
D (T )
C M
h (D ,t )
t
γ
t
γ
D C γ
Охлаждение
v (t,h)
охл
t
γ→α
v
н
v
охл
T
м
h
D
t
Рис. 2.28. Обобщенная модель управления термическим циклом
поверхностной закалки
Время разогрева упрочняемого материала tр определяется по дости‑
жении температурой нагрева Tм диапазона AC3 ≤ Tм < Tси, где Tси — тем‑
пература красностойкости инструмента (красностойкость — это спо‑
собность стали сохранять высокую твердость и износостойкость при
нагреве до температур красного каления). Для выполнения условия
AC3 ≤ Tм возможно изменять три технологических параметра процес‑
са (Fн, n и µ). Однако одновременно с поверхностной закалкой необ‑
ходимо решать проблемы обеспечения красностойкости инструмента
Tм < Tси в формируемых дорожках трения, минимальной шерохова‑
тости, а также исключения отвалов разогретого материала в процессе
вращения инструмента. На основе результатов исследований, пред‑
ставленных в работе [29], для получения поверхности с минимальной
49
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
шероховатостью в процессе ФЗП инструментом с плоским торцом
частоту вращения необходимо принимать максимально возможной,
исходя из возможностей применяемого оборудования и поддержания
температуры нагрева в указанном выше диапазоне изменения.
Выявить закономерности изменения температуры нагрева матери‑
ала от частоты вращения инструмента n, нормальной силы Fн, коэф‑
фициента трения µ и подачи fи по глубине поверхностного слоя можно
методом конечно‑элементного моделирования (КЭМ) при установ‑
ленных зависимостях теплопроводности инструментального и обра‑
батываемого материала от температуры. На основе проведенного лите‑
ратурного обзора установлено, что коэффициент трения µ в контакте
твердосплавного инструмента WС–Co с конструкционной сталью сле‑
дует принимать в диапазоне 0,2…0,3 [30]. Установление фактического
значения коэффициента трения в зависимости от нормальной силы Fн
и частоты вращения шпинделя n является весьма трудной задачей
и требует применения специального оборудования.
Второй этап реализации обобщенной модели управления поверх‑
ностной закалкой предполагает определение температуры Tм и ско‑
рости нагрева vн, времени аустенизации (выдержки) tg и глубины
диффузии углерода hD в зависимости от подачи инструмента fи и коэф‑
фициента трения µ. Данные зависимости могут быть получены на ос‑
нове анализа температурных вспышек Tм = f (t, fи, µ) по глубине поверх‑
ностного слоя методом конечно‑элементного моделирования и путем
экспериментальных исследований процесса.
Последовательность решения многофакторной задачи управления
процессом фрикционной поверхностной закалки может быть пред‑
ставлена в виде алгоритма (рис. 2.29), в котором рассмотрено три ос‑
новных этапа:
• предварительный разогрев при выстое инструмента для выхо‑
да на необходимый температурный режим нагрева стали;
• выдержка материала при заданной температуре, в процессе ко‑
торой происходит аустенизация;
• охлаждение материала, обеспечивающего мартенситное пре‑
вращение.
Предложенный алгоритм позволяет оценить возможность фор‑
мирования закаленного поверхностного слоя с мартенситной струк‑
турой требуемой глубины при заданных технологических параметрах
процесса ФПЗ.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]