CC BY
20
МАШИНОБУДУВАННЯ ТА МЕТАЛООБРОБКА
УДК 621.658.012.531 doi: 10.31498/2225-6733.36.2018.142534
© Самотугин С.С.1, Христенко О.А.2, Иванов В.И.3
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЗОНЫ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ РЕЗЬБОНАРЕЗНЫХ РЕЗЦОВ С ПЛАСТИНАМИ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
В данной работе представлено исследование структуры, твердости и параметров кристаллического строения в модифицированной зоне резьбонарезных резцов с напаянными твердосплавными пластинами из сплава ВК8 и Т5К10. Показан характер плавление межфазных границ, металлографические и рентгеноструктурные исследования при высококонцентрированном нагреве плазменной струей и высокоскоростном охлаждении резьбонарезных резцов. Анализ приведенных факторов показывает перспективность применения метода поверхностного упрочнения для повышения работоспособности резьбонарезного инструмента с твердосплавными пластинами. Вместе с тем, из-за сложной профильной рабочей поверхности применение любых методов упрочнения затруднено.
Ключевые слова: резец, резьбонарезание, плазма, упрочнение, твердый сплав.
Самотугш С.С., Христенко О.А., 1ванов В.1. Структура i властивостi модифшованог зони при плазмовш обробц pi3b6oHapi3Hux pi3^ie з пластинами i3 твердих сплавiв. У датй робот1 представлено досл1дження структури, твердост1 i параметр1в кристал1чног будови в модиф1ковант зон р1зьбонар1зних р1зц1в з напаяними твердосплавними пластинами зi сплаву ВК8 i Т5К10. Показаний характер плавлення мiжфазних кордотв, металографiчнi та рентгеноструктурт до^дження при висококонцентрованому нагрiваннi плазмовим струменем i високошвидюсному охолодженн рiзьбонарiзних рiзцiв. Аналiз наведених факторiв показуе перспективтсть застосування методу поверхневого змщнення для тдвищення працездатностi резьбонарiзного тструменту з твердосплавними пластинами. Разом з тим, через складмсть профтьног робочог поверхн застосування будь-яких методiв змщнення утруднено. В таких умовах в рiзних дшянках модифтовано1 зони можуть проходити фазовi i структурн перетворення, що вiдрiзняються мiж собою. Найбтьш висок експлуатацШю властивостi i дисперсна структура реалiзуються при плазмовШ обробц твердих сплавiв без оплавлення, але з фазовими перетвореннями в карбiдах i зв'язщ. Оптимальн режими плазмовог обробки забезпечують реалiзацiю зазначеного варiанта змщнення в обсягах твердого сплаву, прилеглих до рiжучих кромок. Основним процессом, що визначае характер фазових i структурних перетворень в твердих сплавах при плазмовому модифтувант, е контактне плавлення карбiдних зерен, воно залежить вiд двох чинниюв - змочуваностi карбiдiв рiдкою сполучною фазою i розчинностi карбiдiв в зв'язщ, що призводить до подрiбнення подiбних (первинних) карбiдних зерен, наси-чення зв'язки вольфрамом i вуглецем i, як на^док, дисперстному змщненню зв'язки за рахунок видтення вторинних дисперсних карбiдiв. Поряд з nодрiбненням вихiдних карбiдних зерен, вiдбуваеться розпад пересиченого твердого розчину W i C в Co з видтенням дисперсних вторинних карбiдiв. Оплавлен зерна первинних
1 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 мл. науч. сотрудник, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, khrvstenko. о1яа@ятаИ. сот
3 кан. тех. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
Kap6idie мають неправильну форму i "пухю" краю, а зерна видтилися в результатi
твердтня вторинних карбiдiв - переважно округлог форми.
Ключовi слова: рiзець, рiзьбонарiзання, плазма, змщнення, твердий сплав.
S.S. Samotygin, O.A. Khrystenko, V.I. Ivanov. Structure and properties of the modified processing zone of plazma treatment of threaded cutters with solid alloys plates. This paper presents a study of the structure, hardness, and the crystal structure parameters in a modified zone of thread-cutting cutters with soldered carbide inserts of the VK8 and T5K10.alloys. The character of the interphase boundaries melting, metallographic and X-ray diffraction studies on plasma jet high-concentration heating and high-speed cooling of thread-cutting cutters has been shown. The analysis of these factors shows good promise in applying the surface hardening method in order to improve the performance of a thread-cutting tool with carbide-tipped plates. At the same time, due to the complex profile working surface, the use of any hardening methods presents difficulties. Under these conditions, phase and structural transformations, that differ from each other, can take place in different parts of the modified zone. The highest performance properties and dispersed structure are obtained on plasma treatment of hard alloys without melting, but with phase transformations in carbides and the binder. Optimum modes of plasma treatment ensure that very kind of hardening in hard alloy volumes adjacent to the cutting edges. The main process determining the nature of phase and structural transformations in hard alloys under plasma modification is contact melting of carbide grains; it depending on two factors - the wettability of the carbides with the liquid binding phase and the solubility of the bound carbides which results in the crushing of similar (primary) carbide grains, saturation of the binder with tungsten and carbon and dispersion hardening of the bond resulting from the secondary dispersed carbides separation. Along with the grinding of the initial carbide grains, the supersaturated solid solution W and C in Co decomposes, with the release of dispersed secondary carbides. The melted grains of the primary carbides have an irregular shape and "loose" edges, and the grains of secondary carbides precipitated as a result of the precipitation hardening are mainly rounded. Keywords: cutter, thread cutting, plasma, hardening, hard alloy.
Постановка проблемы. Эффективным методом повышения работоспособности металлорежущего инструмента является поверхностное модифицирование при нагреве высококонцентрированной плазменной струей [1]. При этом одним из наиболее сложных объектов для упрочнения является резьбонарезной инструмент, режущую часть которого изготавливают из быстрорежущих сталей или твердых сплавов. Наиболее распространенным типом инструмента являются стержневые профильные резцы [2, 3]. Основные геометрические параметры режущей части профильного резьбового резца с нанесенной модифицированной зоной показаны на рис. 1.
При разработке оптимальной технологии поверхностного модифицирования резьбонарезных резцов необходимо учитывать основные особенности нагружения и подготовки таких резцов [2, 3]:
1) у профильного резьбового резца в резании и профилировании нарезаемой резьбы участвуют 3 режущие кромки (рис. 1): 1-2 - на лезвии вершины резца, 1-3 - на левом прямолинейном профильном лезвии, 2-4 - на правом прямолинейном профильном лезвии. Все три режущие кромки являются главными. Лезвие вершины резца 1-2, формирующее впадину лезвийного профиля, в процессе резания находится в тяжелых условиях нагружения, и прочность его может оказаться недостаточной;
2) резьбонарезные резцы работают с относительно малыми значениями скорости резания и толщины срезаемого слоя при обильном поливе рабочей зоны струей СОЖ (смазывающая охлаждающая жидкость). В таких условиях на лезвиях выделяется относительно небольшое количество теплоты - температура нагрева лезвий не превышает 400°С. Температурное состояние лезвий слабо влияет на интенсивность их изнашивания и не является лимитирующим фактором при назначении режимов резьбонарезания;
3) основным критерием, определяющим работоспособность резьбонарезных резцов, является износ по задним поверхностям h3 (рис. 1). Согласно [3], он составляет для черновых
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2018р.
Серiя: Технiчнi науки p-ISSN: 2225-6733; 2519-271Х
Вип. 36
резьбонарезных резцов hз = 2 мм, а для чистовых профильных - hз = 0,3 мм;
4) профильные резьбонарезные резцы с напаянными твердосплавными пластинами допускают сравнительно небольшое число переточек.
Рис. 1 - Геометрические параметры режущей части профильного резьбового резца с модифицированной зоной: ем3, дм3 - толщина и ширина модифицированной зоны, соответственно; hз - износ по задней поверхности; 1-2, 2-4 и 1-3 - режущие кромки; стрелкой указано направление плазменной обработки
Учитывая изложенное, а также опыт применения плазменного модифицирования для упрочнения других типов инструмента [4], установлены основные требования к разработке технологии плазменного модифицирования резьбонарезных твердосплавных резцов. Ранее установлено [4], что для достижения наиболее высокой работоспособности лезвийного инструмента его обработка плазменной струей должна выполняться по передней поверхности (рис. 1). При этом ширина модифицированной зоны дм3 должна обеспечивать сохранение всех трех упрочненных режущих кромок (1-2, 1-3 и 2-4) после возможных переточек резца, а толщина модифицированной зоны ем3 в плоскости, перпендикулярной кромке 1-2, должна значительно превышать допустимый износ по задней поверхности hз (рис. 1).
Анализ последних исследований и публикаций. Выбор оптимальных значений параметров режима плазменной обработки профильных резьбовых резцов осуществляется на основании моделирования и анализа температурных полей при поверхностном концентрированном нагреве вдоль режущей кромки образца, имеющего форму клина. Предварительными расчетами с использованием рекомендаций [4] установлено, что наиболее высокие значения температуры нагрева и скорости охлаждения достигаются в точках, близких к вершине резца (кромка 1-2) и боковым режущим кромкам 1-3 и 2-4. При удалении от вершины как вдоль передней поверхности, так и в глубину, максимальная температура нагрева снижается. В таких условиях в различных участках модифицированной зоны могут проходить фазовые и структурные превращения, отличающиеся между собой. Ранее установлено [5], что наиболее высокие эксплуатационные свойства и дисперсная структура реализуются при плазменной обработке твердых сплавов без оплавления, но с фазовыми превращениями в карбидах и связке. В качестве оптимальных приняты режимы плазменной обработки твердосплавных резьбовых резцов, обеспечивающие реализацию указанного варианта упрочнения в объемах твердого сплава, прилегающих к режущим кромкам.
Целью данной работы является исследование структуры, твердости и параметров кристаллического строения в модифицированной зоне на резьбовых резцах с напаянными твердосплавными пластинами. Исследованы пластины из сплавов ВК8 и Т5К10 после плазменной обработки. На шлифах, выполненных в плоскости, перпендикулярной режущей кромке 1-2 (рис. 1), изучали микроструктуру (оптический микроскоп «Неофот-21»), измеряли твердость по Вик-керсу и определяли параметры кристаллического строения - период решетки кобальтовой фазы а, микронапряжения д и размер блоков D (дифрактометр ДРОН - 3,0 - по методикам [5-7]).
Изложение основного материала. Микроструктура в отдельных точках модифицированной зоны приведена на рис. 2, твердость и параметры кристаллического строения - в таблице.
Рис. 2 - Микроструктура отдельных участков модифицированной зоны на пластинках из сплавов ВК8 (б-д) и Т5К10 (з-и): а - резец; б, е - точка 1; в, ж - точка 2; г, з -точка 3; д, и - точка 4
Таблица
Параметры кристаллического строения твердых сплавов в отдельных участках модифицированной зоны
Марка сплава Точка исследований (рис. 2) Твердость HV Период решетки кобальтовой фазы а-10"10, м Размер блоков D, A0 Микронапряжения о, МПа
В карбидах В связке
ВК8 1 1590-1620 3,562 14 -185 -15
2 1520-1545 3,560 24 -180 +45
3 1485-1505 3,555 47 -160 +210
4 1410-1430 3,553 78 -155 +415
Продолжение таблицы
1 1660-1700 3,556 21 -90 +30
Т5К10 2 1580-1605 3,554 31 -110 +45
3 1510-1535 3,552 54 -115 +175
4 1430-1470 3,551 72 -125 +525
Исследования показали, что структура вольфрамо-кобальтового сплава ВК8 в исходном состоянии (рис. 2, г) состоит из зерен карбидов вольфрама WC граненной формы (как свободных, так и контактирующих между собой), погруженных в твердый раствор вольфрама и углерода в кобальте. Вольфрамо-титано-кобальтовый сплав Т5К10 в исходном состоянии имеет трехфазную структуру, состоящую из овальных кристаллов сложных карбидов (Т^ W) С, образующихся в результате диффузии и растворения W и С в ТЮ при спекании, зерен карбида WC граненной формы и связующей кобальтовой фазы (рис. 2, з).
Ранее установлено [5], что наиболее высокие значения твердости сплавов типа ВК и ТК достигаются при плазменной обработке без расплавления связки - при нагреве до температур ~ 1300-1500°С. При плазменной обработке резьбовых резцов, имеющих форму клина (рис. 1), при оптимальных параметрах режима нагрева такая температура достигается в участках, близких к режущим кромкам (точки 1 - рис. 2). В этих участках образуется наиболее дисперсная структура модифицированной зоны (рис. 2, а, д) и достигается наиболее высокая твердость (табл. - точки 1).
Основным процессом, определяющим структуру и свойства модифицированной зоны, является контактное плавление межфазных границ карбид-связка. Оно зависит от двух факторов - смачиваемости карбидов жидкой связующей фазой и растворимости карбидов в связке.
Сплав ВК8 характеризуется хорошей смачиваемостью компонентов (угол смачивания 0 ~ 0°). Контактное плавление межфазных границ способствует разделению плотных групп карбидов на мелкие частицы - монокристаллы. Степень превращения в карбидах неодинакова и зависит от их размеров. Окончательная структура сплава ВК8 при плазменном модифицировании (рис. 2, б) формируется в неравновесных условиях высокоскоростного охлаждения. Наряду с измельчением исходных карбидных зерен, происходит распад пересыщенного твердого раствора W и С в Со с выделением дисперсных вторичных карбидов. Оплавленные зерна первичных карбидов имеют неправильную форму и «рыхлые» края, а зерна выделившихся в результате дисперсионного твердения вторичных карбидов - преимущественно округлую форму (рис. 2, б). По мере удаления от кромок пластины в глубину модифицированной зоны (точки 2 и 3) температура нагрева снижается, степень и полнота контактного плавления первичных карбидов снижается, увеличивается размер зерен (рис. 2, в, г), плавно переходя к исходной структуре (рис. 2, д). Наряду с частично оплавленными зернами сохраняются и неоплавленные зерна граненой формы.
При плазменной обработке сплавов Т5К10 твердость также значительно повышается (табл.). Сплавы системы WC-TiC-Co характеризуются неполной смачиваемостью компонентов (0 > 0°) в условиях контактного плавления [5], что не позволяет в полной мере реализовать дисперсионное упрочнение связки. В структуре модифицированной зоны на сплаве Т5К10 наблюдаются как дисперсные оплавленные первичные карбиды и дисперсные вторичные карбиды, так и сохранившиеся крупные первичные карбиды граненой формы (рис. 2, е), количество которых увеличивается по мере удаления от режущей кромки в глубину модифицированной зоны (рис. 2, ж, з). Повышение твердости сплава Т5К10 после плазменного воздействия (табл.) связано как с измельчением зерен, так и упрочнением связки при насыщении ее вольфрамом и углеродом в результате диффузии и распада пересыщенного твердого раствора Т^ С.
Выводы, сделанные по результатам металлографических исследований, подтвердились результатами рентгенографических исследований. Установлено, что плазменное модифицирование сплавов ВК8 и Т5К10 приводят к значительному увеличению периода решетки кобальта (табл.). Поскольку методика исследований, аналогичная принятой в работе [5], исключала
влияние микронапряжений на период решетки Со-фазы, такое значительное его увеличение логично объяснить только повышением концентрации вольфрама и углерода (в сплаве ВК8), а также титана (в сплаве Т5К10) в кобальтовом твердом растворе замещения-внедрения. Это связано с контактным плавлением межфазных границ карбид-связка. При последующем скоростном охлаждении происходит дисперсионное твердение пересыщенной легирующими элементами связки с выделением ультрадисперсных частиц карбидов [5] (средний размер карбидных зерен у режущей кромки dR « 0,01...0,05 мкм - см. рис. 2, б, е). Происходит измельчение не только микроструктуры, но и параметра субструктуры - размер блоков мозаики D уменьшается для сплава ВК8 более чем в 5 раз, а для сплава Т5К10 - почти в 3,5 раза (табл.).
Фазовые и структурные превращения при плазменном модифицировании твердых сплавов приводят к изменению напряженного состояния карбидной и связующей фаз. В исходном состоянии карбидная фаза испытывает напряжения сжатия, а кобальтовая - растяжения [5]. Коэффициенты термического расширения компонентов твердых сплавов значительно различаются (aWC = 3-10"6 град; aCo = 14,2-10"6 град.), что приводит к появлению дополнительных сжимающих напряжений в карбидной фазе при плазменном нагреве сплава ВК8 (табл.). При обработке сплава Т5К10 установлена обратная зависимость, что можно объяснить [5] наличием в структуре кроме карбидов вольфрама WC сложных карбидов (Ti, W)C. Жесткий карбидный каркас в сплаве Т5К10 не позволяет реализовать релаксацию напряжений в полной мере, и напряжения в связке после модифицирования хотя и значительно снижаются, но остаются растягивающими (табл.).
Выводы
Эффективным методом повышения эксплуатационных характеристик твердосплавных резьбонарезных резцов является плазменное поверхностное модифицирование. Металлографическими и рентгеноструктурными исследованиями установлена возможность образования в модифицированной зоне ультрадисперсной структуры с повышенным уровнем твердости и более благоприятным распределением остаточных напряжений.
Основным процессом, определяющим характер фазовых и структурных превращений в твердых сплавах при плазменном модифицировании, является контактное плавление карбидных зерен, приводящее к измельчению сходных (первичных) карбидных зерен, насыщению связки вольфрамом и углеродом и, как следствие, дисперсионному упрочнению связки за счет выделения вторичных дисперсных карбидов.
Список использованных источников:
1. Самотугин С.С. Плазменное модифицирование резьбонарезного инструмента / С.С. Самоту-гин, О.А. Христенко // Вюник Приазовського державного техшчного ушверситету : Зб. наук. пр. / ДВНЗ «ПДТУ». - Марiуполь, 2017. - Вип. 34. - C. 105-112. - (Серiя : Техшш науки).
2. Родин П.Р. Металлорежущие инструменты / П.Р. Родин. - М. : Высшая школа, 1974. - 400 с.
3. Грановский В.И. Резание металлов / В.И. Грановский, В.Г. Грановский. - М. : Высшая школа, 1985. - 304 с.
4. Самотугин С.С. Плазменное упрочнение инструментальных материалов / С.С. Самотугин, Л.К. Лещинский. - Донецк : Новый мир, 2003. - 338 с.
5. Самотугин С.С. Влияние режимов плазменной обработки на структуру и свойства инструментальных твердых сплавов / С.С. Самотугин, В.И Лавриненко, Ю.С. Самотугина, Е.В. Кудинова // Сверхтвердые материалы. - 2011. - № 3. - С. 74-84.
6. Рентгенографические исследования термообработанных твердых сплавов WC-Co / Л.И. Александрова, М.Г. Лошак, Т.Б. Горбачева, А.В. Вараксина // Порошковая металлургия. - 1985. - № 5. - С. 93-98.
7. Горбачева Т.Б. Рентгенография твердых сплавов / Т.Б. Горбачева. - М. : Металлургия, 1985. - 102 с.
References:
1. Samotugin S.S., Khrystenko O.A. Plazmenoe modifizurovanie rezbonareznogo instrumenta [Plasma modification of a threading tool]. Vestnikpriazovskogo gosudarstvenogo universiteta. Se-riia: Tekhnicheskie nauki - Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Tech-
nical sciences, 2017, no. 34, pp. 105-112. (Rus.)
2. Rodin P.R. Metalorejuschie instrumentu [Cutting tools]. Moskow, Vuschay shkola Publ., 1974. 407 р. (Rus.)
3. Granovskiy V.I., Granovskiy V.G. Rezanie metallov [Metal cutting]. Moskow, Vuschay shkola Publ., 1985. 304 р. (Rus.)
4. Samotugin S.S., Leschinskiy L.K. Plazmenoe uprochnenie instrumentalnuh materialov [Plazma hardening of tools material]. Donetsk, Novui mir Publ., 2003. 338 p. (Rus.)
5. Samotugin S.S., Lavrinenko V.I., Samotugina U.V., Kudinova E.V. Vliyanie regumov plazmenoi obrabotki na structuru i svoistva instrumentalnuh tverduh splavov [Effect of plasma treatment regimes on the structure and properties of tool hard alloys]. Sverhtverdue materialu - Superhard materials, 2011, no. 3, pp. 74-84. (Rus.)
6. Aleksandrova L.I., Loschak M.G., Gorbacheva T.B., Varaksina A.V. Rentgenograficheskie isle-dovaniya termoobrabotanuh tverduh splavov WC-Co [Radiographic studies of heat treated hard alloys WC-Co]. Poroschkovaya metalurgiya - Powder metallurgy, 1985, no. 5, pp. 93-98. (Rus.)
7. Gorbacheva T.B. Rentgenografiya tverduh splavov [Radiography of hard alloys]. Moskow, Metal-lurgiya Publ., 1985. 102 p. (Rus.)
Рецензент: А.А. Андилахай
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 11.04.2018
УДК 621. 833. 65 doi: 10.31498/2225-6733.36.2018.142537
© Савлук А.П.1, Стршець В.М.2, Стршець О.Р.3, Степанюк А.А.4
ВАНТАЖОУПОРНИЙ ЗУПИННИК МЕХАН1ЗМ1В П1ДЙОМУ У ВИГЛЯД1
3AMKHyTOÏ Г1ДРОСИСТЕМИ
Описана будова i робота зупинника вантажу, який Micmumb шестеренчастий насос, коротк трубопроводи, регулювальний кран, зворотш клапани i емтсть для pi-дини. Ва деталi змонтоваш на корпус насоса. За напрямком тдйому вантажу шестеренчастий насос приводиться в роботу та перекачуе piдину по вiдкpитому колу гiдpосистеми. По зактченш тдйому вантаж зупиняеться i створюе зворот-ний обертальний момент, напрямок обертання насоса мтяеться i стопориться, бо зворотне коло гiдpосистеми закрите регулювальним краном. Ключовi слова: зупинник вантажу, шестеренчастий насос, регулювальний кран, замкнута гiдpосистема,звоpотний клапан, емтсть для piдини.
Савлук А.П., Стрелец В.М., Стрилец О.Р., Степанюк А.А. Грузоупорный останов механизмов подъема в виде замкнутой гидросистемы. Описано строение и работа останова груза, который состоит из шестеренчатого насоса, коротких трубопроводов, регулирующего крана, обратных клапанов и емкости для жидкости. Все детали смонтированы на корпусе насоса. За направлением подъема груза шестеренчатый насос приводится в работу и перекачивает жидкость по открытому кругу гидросистеми. По окончании
1 студент, Нацюналъний ушверситет водного господарства та природокористування, м. Рiвне
2 канд. техн. наук, доцент, професор, Нацюналъний ушверситет водного господарства та природокористування, м. Рiвне, V. т. strilets@nuwm. edu.ua
3 канд. техн. наук, доцент, Нацюналъний ^верситет водного господарства та природокористування, м. Рiвне, иа [email protected]
4 канд. техн. наук, асистент, Нацюналъний ушверситет водного господарства та природокористування, м. Рiвне, а. а. stepaniuk@,nuwm. edu.ua
