Влияние условий термомеханического нагружения на структуру и изнашивание вольфрамокобальтовых твердых сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИ* Ні2 (90) 2010

УДК 669.018.25:620.192.4

В. С. КУШНЕР А. Н. ЖАВНЕРОВ

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И ИЗНАШИВАНИЕ ВОЛЬФРАМОКОБАЛЬТОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

Предстаален анализ изменения структуры вольфрамокобальтовых сплавов в тяжелых условиях нагружения режущего-лезвия при обработке сплавов на никелевой основе. В результате термомеханического подхода разработана модель расчета изменения интенсивности изнашивания от условий нагружения режущего лезвия.

Ключевые слова: вольфрамокобальтовые сплавы, термомеханический подход, резание.

Известно, что механические свойства вольфрамокобальтовых твердых сплавов и их износостойкость при резании в значительной мере определяются технологией спекания твердосплавных режущих пластин. К факторам, влияющим на механические свойства твердых сплавов, относят равномерность распределения кобальтовой связки относительно каркаса из карбидов вольфрама (рис. 1) и наличие или отсутствие пор (пористость) (ГОСТ 9391-80). Технология спекания твердых сплавов совершенствуется путем уменьшения размеров карбидных зерен, создания равностороннего сжатия при нагреве спекаемого сплава до температур 1000— 1200°, близких к температуре плавления твердого раствора вольфрама в кобальте (« 1300 °С), а также путем применения ультразвуковых колебаний |1|. Современные твердые сплавы, выпускаемые иностранными фирмами, характеризуются практически полным отсутствием пор и увеличенным до 3000 — 3700 МПа пределом прочности на изгиб, что примерно вдвое превышает предел прочности на изгиб стандартного сплава ВК8

(ои*ттпа).

Известно^), что в процессе адгезионного изна-

шивания твердых сплавов при резании с поверхности трения в результате усталостного циклического разрушения возникающих связей обрабатываемого и инструментального материалов удаляются зерна карбидов вольфрама или более мелкие частицы этих зерен (рис. 2). Этот механизм изнашивания снижает прочность инструментального материала на поверхности трения и повышает интенсивность изнашивания. При этом предполагалось, что струк тура 1’верл/> го сплава в объемах, удаленных от поверхностей контакта со стружкой или деталью, остается неизменной.

Выполненные исследования позволили установить, что при резании труднообрабатываемых сплавов на никелевой основе с практически применяемыми на производстве режимами резания заводов ФГУП «ММПП «Салют» и ФГУП «ОМО им. «Баранова» температуры на поверхностях режущего лезвия практически достигают значений, близких к температурам нагрева твердого сплава при его спекании (рис. 3).

Температура на передней поверхности достигает 1100 — 1200 *С, по задней поверхности в среднем 900 #С и равномерно распределена в близи режущей кромки.

Температура формоустойчивости рассчитывалась по максимальным температурам передней и зад-

Рис. I. Поверхность излома центральной части образца сплава ВК8 при увеличении хЮООО

Рис. 2. Выявленные пустоты на поверхности излома режущей кромки сплава ВК8

Рис. 3. Влияние режимов резания на распределение температур и плотности тепловых по поверхностям режущего инструмента (ФГУП «ММПП «Салют» у=30 м/мин, 9=0,15 мм/об 1=1,5 мм. П=4,5-101 м1/мин;

ФГУП «ОМО нм. Баранова» ^13 м/мнн, 9=0,15 мм/об 1=1,5 мм, П=1,95*10 1 м'/мнн; у=5 м/мин,9=0,4 мм/об 1=0,1 мм, П=2-10 ‘ м’/мнн;) распределение температуры: а) по передней поверхности режущего инструмента; б) по задней поверхности режущего инструмента

ней поверхностей, причем уровни температуры фор-моустойчивости определялись окружностью, проведенную через точку с координатами (дп%03) из центра соответствующего средней температуре деформации <90. При этом температуре формоустойчи-восги соответствуют равные значения (0п,в3) при той же окружности (рис. 4).

Функция, описывающая влияние температуры задней и передней поверхности на температуру формоустойчивости:

(еп-Оо?-(е,-ва?

-&o f ~{в3,тах ~в0 У

В условиях нагрева режущего лезвия до высоких температур иод действием напряжений на его передней и задней поверхностях происходят упругопластические или пластические деформации режущего клина. В сочетании с высокими температурами (1000 - 1200 ’С) эти деформации приводят к изменению структуры твердого сплава вследствие перераспределения кобальтовой связки (рис. 5) иод действием неравномерно раснределе*01ых напряжений и, как следствие, к увеличению интенсивности изнашивания поверхностей режущего инструмента.

Выполненные расчеты и эксперименты показали, что средние касательные напряжения на поверхностях инструмента недостаточно хороню коррелируют с интенсивностью изнашивания (рис. 6). Более подходящим фактором, обобщающим влияние условий резания при постоянной температуре формоустойчивости, являются касательные напряжения ои, вычисленные по методу Митчелла [3] по силам на передней и на задней поверхностях режущего лезвия. Согласно методике, предложенной Митчеллом, касательные напряжения на поверхностях режущего лезвия зависят от величины силы, перпендикулярной биссектрисе угла заострения режущего клина.

Данные напряжений, вычисленных по методике

Рис. 4. Взаимосвязь температур на передней и задней поверхностях

иіоСрааіахя* I

Рис. 5. Поверхность излома в области режущей кромки части образца сплава ВК8 при увеличении х 12000 (РЭМ Cail Zeiss EV050 XVP с увеличивающей способностью до 3 мкм)

Чг r-V- 5 Ю

* ь ‘ / 7,'

\ /

* V J У/

0

0.2 0.3 0.4 0.5Ь,.ш«

Рис. 6. Зависимость изменения средних напряжений и напряжений по Митчеллу с ростом ширины фаски износа при постоянной температуре формоустойчивости (а) (у=30 м/мин, 5= 0,067 мм/об, 1=1,5 мм.7=10о,а=8с,ф=45оД!а15о)

Рис. 7. Изменение -о— напряжений вычисленных по методике Митчелла и —О- температуры формоустойчивости от подачи при точении сплава ЭИ698(ХН73МБТЮ), инструментом BK8 с геометрией: г=2,4 мм, У=7°, а=Ч)0, <Р=90°, р=0,035, Л=0в, 1=2 мм, v = 30 м/мин

Митчелла с использованием экспериментальных данных сил резания при прямоугольном точении сплава ЭИ690(ХН73МБТЮ) (рис. 7), показывают, что уровень касательных напряжений достаточно высок: 950- 1150 МПа и сопоставим с допускаемым напряжением на изгиб (омаг= 1200— 1700 МПа) сплавов группы ВК.

ІЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК I# 2 (90) 2010

МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ 1ЇСТНИК № 2 (90) 2010

Рис. 8. Определение химического состава в области мелких Рис. 9. Определение химическою состава крупных зерен зерен

Таблица 1

Химический состава

в области мелких зерен в области крупных зерен

Элемент Весовой % Атомный % Весовой % Атомный %

СК 38.73 89.00 41.80 91.66

Со К 5.67 2.66

W М 55.60 8.35 58.20 8.34

В результате воздействия температур и напряжений в структуре твердых сплавов на кобальтовой основе возникают изменения в виде конгломерации кобальтовой связки, приводящие к ослаблению связи между карбидами вольфрама и связкой, что ведет к интенсивному изнашиванию режущей пластины. Данный факт подтверждается в результате исследования поверхности излома режущего лезвия вблизи режущей кромки методом растровой электронной металлографии и сравнением со структурой центральной части режущей пластины (рис. 5).

С целью установления состава появившихся конгломераций было произведено определение химического состава микроанализатором EDSX-Act (Oxford Instruments). Так как точное определение химического состава мелких конгломераций не представляется возможным из-за величины зерна (менее 1 мкм), то можно определить химический состав области конгломераций и крупных зерен спектр 1 (рис. 8, табл. 1) и отдельно крупных зерен спектр 2 (рис. 9, табл. 1).

Данные спектра 2 показали, что крупные зерна состоят преимущественно из карбида вольфрама, а область спектра 1 (область конгломераций и крупных зерен)—из карбида вольфрама и кобальта, из чего можно сделать вывод о кобальтовой природе мелких конгломераций.

Выявленные данные показывают, что в тяжелых условиях термомеханического нагружения режущей пласгины под действием температуры и напряжений создаются условия близкие к условиям спекания данного твердосплавного материала. Вследствие неравномерности напряжений происходит конгломерация кобальтовой связки, то есть образование несовершенств в структуре твердого сплава, что ведет к увеличению интенсивности изнашивания (рис. 10).

На основании полученных результатов исследования можно сделать вывод о том, что способность режущего лезвия противостоять изнашиванию при резании зависит не только от механических свойств инструментального материала, но и

от условий термомеханического нагружения режушего лезвия. Облегчить условия нагружения режущего инструмента можно создани-ем оптимальной геометрии режущего лезвия и выбором рациональных режимов резания.

Данную задачу можно решить на основе термомеханического подхода с использованием зависимости изменения интенсивности изнашивания (6и) от двух факторов: гомологической температуры фор-моустойчивости (Тф шТф,т ) и отношения напряжений. рассчитанных по методике Митчелла, к пределу прочности на изгиб инструментального материала с поправкой на влияние температуры а ~ Уо‘К3 •

Для достижения большей точности экспериментальные данные были разбигы на две области по уровням напряжений. Значения коэффициентов для напряжения 5 <0,7 и б = (0,7... 1,0) рассчитывались для конкретных условий опытов, значения интенсивности изнашивания определялись по экспериментально полученным зависимостям Ь(Ь). Наибольшее 6, и наименьшие (5™, ) значения

интенсивностей изнашивания рассчитывались как коэффициенты регрессии методом наименьших квадратов из условия минимума суммы квадратов относительных ошибок.

{6,27 • Ху + 5.4 • Хг + 3,65 • Хл т(а< 0,7 3,9• Хх +1,2• Хг + 0,07• X, т/(т= 0,7 + 1

7J-<0.6-0.lKr|)

гле* х\= -тгляїщ-

Т'д Ч0,6-0,1і<т|) 2

хгя*11- 0,25-0,11<71 1 Г'-(0,6-О.И)

хз=(‘-И* од$-ОДоі”ї •

Анализ полученных расчетных зависимостей

Рис. 10. Изменение ширины фпски износа и интенсивности изнашивания от нуги резании при точении силава ЭП-742

ВД, ВК8 (у=10°, ф=45, г=1 мм):----У=30 м/мин, 8=0,067 мм/об;

_ ---\—6.0 мм/об, *=0,784 мм/об.

6/ (п . о) позволяет выбрать оптимальные параметры режима резания и геометрии режущего инструмен-та, то есть снизить температуру формоустойчивости и напряжения в режущем клине.

Выводы:

— на характеристики износостойкости твердосплавного режущего лезвия существенное влияние оказывают структурные изменения твердосплавного режущего лезвия, заключающиеся в коагуляции кобальтовой связки под действием повышенных температур и напряжений, при точении жаропрочных сплавов на никелевой основе;

— исключить возможные структурные изменения можно путем регулирования влияния температуры и напряжения, за счет изменения геомсгрии режущего лезвия и режимов обработки;

— прогнозировать структурные изменения втвер-

дос плав ной пластине можно при помощи термомеханической модели нагружения от двух факторов: теплового состояния режущего лезвия, характеризующееся определенной совокупностью максимальных температур передней и задней поверхностей, и отношения напряжения режущего клипа к пределу прочности инструментального материала на изгиб с поправкой на влияние температуры.

Библиографический список

1. Агранат, Б. А. Ультразвук в порошковой металлургии / Б. А. Агранат, А.ЕП. Гудович. Л. Б. Нежевепко. - М.: Машиностроение. 1986. — 168 с.

2. Лоладзе, Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т. Н. Лоладзе. - М.: Машиностроение, 1982. -320 с.

3. Тимошенко, С. П. Теории уиругости : пер. с англ. / С. П. Тимошенко, Дж. Гудьер //под ред. Г. С. Шапиро. — 2-е изд. -М.: І Іаука. Гл. редакция физ.- мат. литературы. 1979. — 560 с.

КУШНЕР Валерий Семёнович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

ЖАВНЕРОВ Алексей Николаевич, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира. 11.

Статья поступила в редакцию 02.03.2010 г.

© В. С. Кушнер, А. Н. Жавнеров

Книжная полка

УДК 532

Гидравлика и гидропривод в примерах и задачах [Текст]: учеб. пособие для вузов по направлению подгот. специалистов «Технология и оборудование лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» по специальности 250401.65 «Лесоинженерное дело» / Г. Я. Суров [и др.]; Арханг. гос. техн. ун-т. - Архангельск: [б. и.]. 2008. - 337 с.: рис., табл. -Библиогр.: с. 335-336. - 15В>1978-5-261-00350-2.

Экслибрис: (Штамп сиреневого цв. I Сибирский региональный конкурс на лучшую вузовскую книгу «Университетская книга»)

Подготовлено кафедрой водного транспорта, леса и гидравлики АГТУ.

Приведены необходимые теоретические сведения и примеры решения типовых задач по гидравлике, насосам и гидроприводу. Дан необходимый справочный материал. Представлены задачи для самостоятельной работы студентов по 14 разделам.

УДК 532

Крестин, Е. А. Гидравлика, гидропривод и гидроавтоматнка [Текст] / Е. А. Крестин; Самар, гос. архитектур.-строит. ун-т. - Самара: [б. и.], 2008. - Ч. 1: Г идравлика: учеб. пособие. - 2008. - 218 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 218. - 100 экз. - ISBN 978-5-9585-0297-4.

Экслибрис: (Штамп сиреневого цв. 1 Сибирский региональный конкурс на лучшую вузовскую книгу «Университетская книга»)

Изложены теоретические и прикладные вопросы равновесия и движения жидкостей, основные законы силового взаимодействия между жидкостью и граничными стенками, а также методы расчетов трубопроводов и открытых русел.

УДК 621.59

Бумагин, Г. И. Установки и системы низкотемпературной техники [Текст]: учеб. пособие / Г. И. Бумагин; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. - 114 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 113. - ISBN 978-5-8149-0793-6

В пособии излагаются методики расчета и примеры основных термодинамических холодильных и криогенных циклов. Дана энергетическая оценка этим циклам.

Приведены примеры расчета гелиевой рефрижераторной установки и установки ожижения водорода.

шя

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ІЕСТНИК М 2 (90) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ