CC BY
30
УДК 669-1:54-19
Н. С. АРТЕМЕНКО Д. С. РЕЧЕНКО Ю. В. ТИТОВ А. О. ЛИЛА А. И. ЛОПАТКО
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ_
В статье рассмотрены труднообрабатываемые материалы на никелевой основе, показаны области использования этих материалов. Приведены результаты опытов (твердость материалов, шероховатость поверхности, износ пластин). Полученные результаты могут быть использованы при подборе инструмента для обработки труднообрабатываемых материалов на никелевой основе. Ключевые слова: труднообрабатываемые материалы на никелевой основе, режущие пластины, твердость, шероховатость.
Для разработки и совершенствования техники требуются новые материалы, которые обладают особыми механическими, физическими и химическими свойствами, обеспечивающими длительную и надежную их работу в жестких условиях эксплуатации и имеющими достаточно низкую удельную массу.
Жаропрочные сплавы, металлокомпозиты, конструкционная керамика, углеродные композиционные материалы — это лишь небольшой перечень материалов, создание которых в ХХ в. стимулировалось развитием ракетной и аэрокосмической техники, работающей в экстремальных условиях.
Большой резерв в повышении свойств конструкционных материалов лежит в образовании поверхностных слоев на основе никелевых соединений и фаз внедрения [1].
Свойства труднообрабатываемых материалов на никелевой основе:
— высокая прочность, которая не деградирует с возрастанием температуры;
— аномальная зависимость предела текучести;
— низкая плотность, что приводит к высокому отношению прочность/плотность;
— высокие упругие модули;
— высокая стойкость к окислению.
Области использования [2 — 4]:
— авиационная и аэрокосмическая техника (вследствие высокой стабильности, жаропрочности и жаростойкости);
— для изготовления деталей машин, работающих длительное время при повышенных температурах в окислительных средах, причем для обеспечения их работоспособности в этих условиях не требуется специальной защиты;
— для работы при высоких температурах.
— сплавы с эффектом памяти формы, использующиеся в тех случаях, когда конструкцию или элемент сложно или вовсе невозможно изготовить стандартными способами;
— биологические имплантаты;
— новые материалы в стоматологии;
— пружины различного назначения;
— тепловые двигатели, манипуляторы и др.
Однако использование материалов на никелевой
основе в качестве конструкционных материалов тормозится по следующим причинам [2]:
1. Свойственна хрупкость, особенно при комнатной температуре.
2. Недостаточное в некоторых случаях сопротивление окислению.
3. Недостаточная надежность методов проектирования и предсказания продолжительности эксплуатации.
4. Отсутствие поставщиков качественной продукции.
5. Высокая стоимость изделий.
В настоящей работе для исследования процесса обработки были выбраны следующие труднообрабатываемые сплавы:
1) сплав 1 (Д! — 33 %; Сг — 4,5 %; Со — 3,5 %; N1 — 59 %);
2) сплав 2 (Д! — 17 %; Сг — 4,5 %; N1 — 78,5 %);
3) сплав 3 (Д! — 17 %; Сг — 3 %; N1 — 71,5 %; Мо — 8,5 %).
Данные заготовки получены при спекании порошковых материалов. Этот процесс представляет собой тепловую обработку свободно насыпанного порошка или спрессованных заготовок при температуре 0,7 — 0,9 абсолютной температуры плавления металла порошка или температуры плавления
1 2 3
Номер сплава
Рис. 1. Результаты замеров шероховатости поверхности обрабатываемых сплавов
х10 х20 х50
Рис. 2. Поверхности обрабатываемых материалов под микроскопом
основного металла в многокомпонентной системе порошков. Это одна из важнейших технологических операций, результатом которой является превращение непрочной заготовки в прочное спеченное тело со свойствами, приближающимися к свойствам литого материала. При спекании происходит удаление газов, адсорбированных на поверхности частиц, возгонка различных примесей, снятие остаточных напряжений на контактных участках между частицами и в самих частицах, восстановление оксидов и растворение их, перестройка поверхностного слоя в результате диффузии и переноса металла в виде пара с одних мест на другие, качественное изменение межчастичных контактов и формы пор.
Пластичность и прочность материалов на никелевой основе можно повысить измельчением зерна и повышением чистоты исходных материалов. Наиболее эффективным способом повышения комплекса его свойств является легирование.
Низкотемпературную пластичность наиболее эффективно повышают небольшие добавки бора (0,05 — 0,1 % ат.), который сегрегирует на границах зерен и ликвидирует межзеренные разрушения. По возрастанию интенсивности упрочняющие легирующие элементы можно расположить в следующий ряд: хром, ванадий, титан, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, цирконий, гафний.
Обработка произведена следующими режущими пластинами:
1) твердосплавной пластиной СЫМС 120408 (твердый микрозернистый сплав, Т1-Л!-81-Н покрытие — наноламинат);
2) пластиной с кубическим нитридом бора СЫСЛ 120412;
3) пластиной с алмазом СЫСЛ 120408;
4) пластиной с кубическим нитридом бора ЫР-СЫСЛ 120408.
Режимы резания для пластин выбраны по рекомендации производителя: подача (Б) — 0,15 мм/об; снимаемый слой (ар) — 0,3 мм; скорость резания (V,) для первой пластины — 35 м/мин, для второй — 100 м/мин, для третьей — 80 м/мин, для четвертой — 140 м/мин.
Проводились измерения твердости материалов по шкале Роквелла с помощью портативного твердомера ТЭМП-4 Технотест-М, предназначенного для экспрессного измерения твердости различных изделий (из стали, чугуна, цветных металлов, резины и др. материалов), в производственных и лабораторных условиях по шкалам Бринелля (НВ), Роквелла (ИЯС), Виккерса (ИУ), Шора Б (ИБб). В результате получили следующие значения по Рок-веллу: сплав 1 — ИЯС 37,2...43,5; сплав 2 — ИЯС 43,3...45,3; сплав 3 — ИЯС 54,9...57,0.
Шероховатость поверхности измерялась мобильным профилометром МагБий РБ1 — прибором для прецизионного и нормированного измерения шероховатости и регистрации результатов контактным методом, со встроенным калибровочным эталоном (рис. 1).
На рис. 1 видно, что при точении пластиной с кубическим нитридом бора ЫР-СЫСЛ 120408 получается самый высокий класс шероховатости (сплав 1 — 0,54 мкм, 8 класс шероховатости;
о
го
Пластина с алмазом CNGA 120408 Пластина с кубическим нитридом бора NP-CNGA 120408
Рис. 3. Состояние режущей кромки до и после обработки, х10
сплав 2 — 2,86 мкм, 5 класс; сплав 3 — 0,45 мкм, 8 класс). При токарной обработке всех трех сплавов ближе к оси вращения детали получились раковины 0,5—1 мм и мелкие трещины (рис. 2). Возможно, это связано с некачественным процессом спекания заготовок (была нарушена технология производства — использование нечистых порошков, недостаточная температура тепловой обработки или нарушение защитной атмосферы).
В результате обработки труднообрабатываемых материалов на никелевой основе происходит износ режущей кромки пластин (рис. 3). На рис. 3 видно, что износ режущих пластин происходит по задней и передней поверхностям пластин. Однако стоит отметить, что пластина 1 при таком износе продолжала обеспечивать 5 класс шероховатости поверхности.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
1. Для получения низкой шероховатости рекомендуется использовать пластину с кубическим нитридом бора с радиусом скругления 0,8 мм.
2. Для обеспечения максимальной производительности рекомендуется использовать твердосплавную пластину CNMG 120408 (твердый микрозернистый сплав, Т1-Д!-81^ покрытие — на-ноламинат).
3. Высокий класс шероховатости поверхности получается при обработке сплава с молибденом.
В настоящее время проводятся работы по освоению разработанных материалов на никелевой основе на базе промышленных предприятий и их внедрению в перспективные изделия. Одновременно с этим продолжаются работы по дальнейшему совершенствованию композиций сплавов и технологий их металлургического производства в соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки.
Библиографический список
1. Иноземцев, А. А. Титановые сплавы в изделиях разработки ОАО «Авиадвигатель» / А. А. Иноземцев, И. Г. Башка-
тов, А. С. Коряковцев // Современные титановые сплавы и проблемы их развития : сб. — М., 2010. — С. 43 — 46.
2. Effect of composition on mechanical properties of newly developed Ti2AlNb-based titanium aluminide / L. Germann [et al.] // Intermetallics. - 2005. - № 13. - P. 920-924.
3. Titanium and titanium alloys. Fundamentals and applications / Ed. by C. Leyens, Peters M. Wiley. - VCH, Germany, 2003. -51 p.
4. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметаллидов / Н. А. Ночовная [и др.] // Авиационные материалы и технологии : юбилейн. науч.-техн. сб. -М., 2012. - С. 196-205. - (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»).
АРТЕМЕНКО Никита Сергеевич, аспирант, инженер кафедры металлорежущих станков и инструментов.
Адрес для переписки: [email protected] РЕЧЕНКО Денис Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры металлорежущих станков и инструментов.
Адрес для переписки: [email protected] ТИТОВ Юрий Владимирович, аспирант, ассистент кафедры металлорежущих станков и инструментов. Адрес для переписки: [email protected] ЛИЛА Антон Олегович, магистрант гр. КТОм-151 факультета элитного образования и магистратуры, ассистент кафедры металлорежущих станков и инструментов.
Адрес для переписки: [email protected] ЛОПАТКО Алексей Игоревич, магистрант гр. КТОм-151 факультета элитного образования и магистратуры, ассистент кафедры металлорежущих станков и инструментов. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 19.04.2016 г. © Н. С. Артеменко, Д. С. Реченко, Ю. В. Титов, А. О. Лила, А. И. Лопатко
