Синтез электродных материалов для повышения функциональных свойств покрытий на деревообрабатывающих инструментах при электроискровом легировании

Развитие современной инструментальной промышленности связано с применением новых современных технологических процессов, позволяющих повысить стойкость, надежность, обеспечить работоспособность инструментов в условиях динамических и статических контактных, силовых и тепловых нагрузок. Надежность и ресурс современных инструментов для первичной обработки древесины в значительной степени зависят от эксплуатационных свойств стали, из которых они изготовлены. Это определяет как разработку новых, так и совершенствование уже известных технологий упрочнения инструментальных сталей высокоэнергетической обработкой. Повышение параметров стойкости и прочности дереворежущих инструментов, которые в значительной степени определяются физико-механическими и геометрическими свойствами поверхностного слоя рабочих поверхностей, на сегодняшний день является актуальной задачей, поскольку они позволяют повысить производительность, точность размеров обработки и геометрической формы обрабатываемой древесины.

В настоящее время большое применение в лесной и лесоперерабатывающей промышленности имеют инструменты, изготовленные из различных инструментальных сталей — пильные цепи, ленточные пилы, фуганочные, рейсмусовые ножи и т. д. Это обусловлено более низкой ценой по сравнению с инструментами оснащенными пластинами из твердого сплава, а так же возможностью производить их заточку и ремонт непосредственно на объектах производства. Данные инструменты работают в тяжелых условиях. Высокие температуры нагрева (350−500°С), значительные величины циклических удельных давлений (до 500 МПа и более), высокая влажность увеличивают внутренние напряжения и приводят к поломке тела инструмента. Неоднородность обрабатываемой древесины и присутствие абразивных включений вызывает износ рабочих поверхностей инструментов. У предприятий занимающихся заготовкой и первичной переработкой леса есть реальные возможности по приобретению высокопроизводительной техники поставляемой ведущими странами Европы и Азии. Стоимость такого оборудования достаточно высокая. Для его рентабельной работы требуются значительные объемы древесины и максимально возможное время непрерывной работы. Простои, связанные с заменой и ремонтом режущего инструмента по различным данным составляют 10−20% продолжительности рабочей смены. Повышение времени работы режущих инструментов для переработки лесоматериалов между перезаточками значительно повысит непрерывность работы станков и машин, их производительность. Для увеличения стойкости режущих инструментов известны следующие методы упрочнения: механическое оснащение зубьев инструмента пластинами твердого сплава (1) — наплавка на лезвие твердых сплавов (2) — электроконтактная закалка зубьев пил (3) — закалка зубьев в поле ТВЧ (4) — использование технологий химико-термической или термомеханической обработки (5). Однако конструктивные особенности режущих инструментов для первичной переработки древесины имеют следующие особенности: толщина зубьев режущей части имеет размеры от 1,0 до 1,6 мм, что не позволяет воспользоваться методами 1 и 2 (небольшая величина поверхности для установки и наплавки пластин). Испытания остальных методов свидетельствуют о возможности увеличения ресурса лишь на 30.60%, что не обеспечивает значительного повышения стойкости. Главным достоинством поверхностной обработки инструмента является определенное сочетание высокой твердости и прочности поверхностного слоя с вязкостью и достаточной пластичностью тела инструмента. При этом появляются перспективы создания материалов со свойствами соответствующим условиям эксплуатации инструмента. Значительное повышение стойкости достигается за счет повышения не только твердости рабочей поверхности режущей части, но и коррозийной стойкости лезвия инструмента. Из множества современных методов обработки поверхностей изделий из металла концентрированными потоками энергии, предлагается использовать метод электроискрового легирования (ЭИЛ), который позволяет в несколько раз улучшить эксплуатационные показатели инструментов изготовленных из инструментальных сталей. Синтез и последующие применение новых электродных материалов и усовершенствование технологии ЭИЛ позволит уменьшить себестоимость данного процесса с повышением функциональных характеристик деревообрабатывающих инструментов.

Цель данной работы заключается в металлотермическом синтезе новых электродных материалов (ЭМ) из реакционной шихты, содержащей шеелитовый концентрат ДВ региона, пластифицирующие элементы (N1 и Со) в виде оксидных соединений и флюсующие добавки нитрат натрия (Ыа>Юз), фтористый кальций (СаР2), оксид железа (Ре203) и разработке технологии получения на поверхности инструментов качественных покрытий с применением синтезированных ЭМ для повышения стойкости деревообрабатывающих инструментов и производительности процесса электроискрового легирования.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на стойкость дереворежущих инструментов, и исследование физико-геометрических параметров измененного поверхностного слоя (ИПС) вследствие упрочнения их методом ЭИЛ.

2. Обоснование целесообразности использования ЭМ, синтезированных из шеелитового концентрата и пластифицирующих элементов в виде оксидных соединений для повышения стойкости дереворежущих инструментов.

3 Исследование зависимости изменения физико-механических свойств ИПС на режущих поверхностях инструментов от энергетических параметров процесса ЭИЛ.

4 Повышение эффективности процесса ЭИЛ посредством удаления из зоны легирования твердых продуктов эрозии электродов.

5. Обоснование целесообразности промышленной реализации технологий упрочнения инструментов синтезированными материалами при ЭИЛ на лесоперерабатывающих предприятиях Хабаровского края.

Научная новизна работы.

1. Для упрочнения деревообрабатывающих инструментов синтезированы новые электродные материалы (патент № 2 428 279 (51)) систем \^-Сг-Со и №-Сг для ЭИЛ методом алюминотермии из реакционной шихты, содержащей шеелитовый концентрат (СаШОД пластифицирующие легирующие элементы (№, Сг, Со) в виде оксидных соединений и флюсующие добавки №N03, Са¥-2, Ре203.

2. Установлена и научно обоснована экстремальная зависимость повышения прочности сцепления покрытий со стальной основой (5ХГМ) в зависимости от энергетических параметров ЭИЛ, и определены их предельные значения (Уп =8−8,2 кДж/см2, ти=(84 — 87)10″ 6с, ^=600Гц), при достижении которых прочность сцепления не увеличивается. При ЭИЛ численное значение выделенной энергии (У&bdquo-) является одним из ограничивающих критериев при определении рациональных технологических режимов процесса ЭИЛ.

3. Установлена закономерность влияния энергетических параметров процесса ЭИЛ на шероховатости Яа, средний шаг неровностей 8П1, волнистость и относительные опорные длины профилей Зависимость параметра шероховатости Яа от величины выделенной энергии для исследованных электродных материалов при частоте импульсов от 100 до 600 Гц имеет возрастающий характер. Определены граничные значения выделенной энергии (УП =8−9 кДж/см), при которых на обрабатываемой поверхности начинается образование волнистости.

4. Применение метода определения динамической микротвердости на кромках лезвий дает более точные результаты прогнозирования стойкости инструментов для деревообработки. Наибольший эффект повышения динамической микротвердости На (в 3,1 раза) и коэффициента динамического упрочнения Ку дин (в 2,8−3,1 раза) наблюдается при использовании синтезированных электродов систем V-Cr-Co, V-Ni-Cr.

5. Выявлено и экспериментально подтверждено негативное влияние твердой фазы на скорость образования покрытия при ЭИЛ, научно обоснована целесообразность снижения доли данной фазы посредством механического удаления осколочных частиц из зоны легирования путем обдува сжатым воздухом при давлении 0,1−1,5 МПа. При этом производительность процесса ЭИЛ повышается в 2,3−2,6 раза.

Практическая значимость работы.

1. Разработанная технология получения анодных материалов из реакционной шихты сложного состава методом алюминотермии может быть предложена к внедрению на предприятиях деревообрабатывающей промышленности и ГОК.

2. Предложенный метод исследования динамической микротвердости предлагается использовать для прогнозирования функциональных характеристик на кромках лезвий режущих инструментов и как экспресс-тест определения твердости различных клиновых поверхностей.

Разработаны и внедрены на лесоперерабатывающих предприятиях технологии получения упрочняющих покрытий ЭИЛ для повышения стойкости рабочих поверхностей ленточных пил, фуганочных ножей и пильных цепей, акты производственных испытаний которых приводятся в приложении к диссертации.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методик испытаний модифицированных поверхностей на современном оборудовании с обработкой результатов экспериментов методами математической статистики и подтверждением результатов исследований на опытно-промышленных испытаниях.

Основные результаты исследований докладывались на международной конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (27 — 30 сентября 2010 года Комсомольск-на-Амуре), на международных симпозиумах: «Современные материалы и технологии 2009», «Современные материалы и технологии 2011» (5 — 9 октября 2009 г и 24 — 28 октября 2011 г. Хабаровск), на Петербургской технической ярмарке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» получен диплом 2 степени и серебряная медаль (Санкт-Петербург, март 20 Юг). На X Московском международном салоне «Инновации и инвестиции» (Москва, сентябрь 2010 г.).

3.5. Выводы по третьей главе.

1. В результате исследований, учитывая специфику работы дереворежущего инструмента был подобран комплект анодных материалов для упрочнения лезвий с помощью ЭИЛ. Изготовлены новые электродные материалы из минерального сырья методом алюминотермии V-Cr-Co и №-Сг.

2. Установлена экстремальная зависимость прочности сцепления покрытий со стальной основой в зависимости от энергетических режимов процесса ЭИЛ. С помощью полученных уравнений регрессии для анодного материала Сг, сплавов ВК6, Т15К6, 11Х15Н25М6АГ2 У-Сг-Со V-Ni-Cr и материала катода из штамповой стали 5ХГМ, определены предельные значения энергетических режимов процесса ЭИЛ (УП = 8−9 кДж/см2), обеспечивающие наибольшие значения напряжений на срез.

3. Применение метода определения динамической микротвердости на кромках лезвий, дает более точные результаты в соотношении микротвердость и долговечность применительно к износостойкости инструментов. Данный метод предлагается использовать как экспресс-тест при упрочнении различных клиновых поверхностей.

4. Определена закономерность влияния энергетических режимов процесса ЭИЛ на: шероховатость (Ка), средний шаг неровностей (8т), волнистость, и относительные опорные длины профилей неровностей. Определены граничные значения энергетических режимов процесса (и'п = 8.0 кДж/ см), при превышении которых качественное формирование шероховатости ИПС прекращается вследствие образования волнистости.

5. Исследование покрытий на жаростойкость, образованных на инструментальных сталях, показали эффективность применения испытанных электродных материаловнаибольшую жаростойкость обеспечивает использование электродов из 11Х15Н25М6АГ2, Сг, У-Сг-Со в 1,3 — 2,2 раза по сравнению с поверхностями без покрытий. Анализ полученных результатов свидетельствует об эффективности использования следующих синтезированных материалов на вольфрамасодержащей основе для повышения жаростойкости: У-Сг-Со V-Ni-Cr.

4 ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ЭИЛ, РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО.

4Л Влияние межэлектродного пространства на процесс ЭИЛ.

Изучение влияния элементов внешней среды на процесс ЭИЛ является важной задачей при создании покрытий с заранее заданными свойствами. Ионизация межэлектродного газа, высокие температуры искровых разрядов, присутствие жидкой, твердой и паровой фазы в зоне легирования взаимодействуют с элементами окружающей среды, приводят к изменению физико-механических свойств легированного слоя. Многие ученые проводили исследования по выбору и использованию различных межэлектродных газовых сред. Н. И. Лазаренко установила возможность изменения характера зависимости массопереноса подбором среды легирования, уменьшающих или исключающих окисление материалов электродов. Сильно это проявляется при использовании в процессе обработки инертных и восстановительных сред — водорода, аргона. В работах профессоров Кима В. А. [73. 74], Верхотурова А. Д. [8], Химухина С. Н. [11] Коротаева Д. Н., [80] проводились исследования процесса ЭИЛ при применении различных сред. Приоритеты в работах отдавались в основном защите зоны легирования от кислорода и азота, исследования влияния оксидных и нитридных фаз, рассматривались зависимости эрозии и массопереноса от термодинамических и физико-химических свойств межэлектродного газа, в том числе вакуума.

Профессором Мулиным Ю. И. были выполнены исследования кинетики суммарного изменения массы катода в зависимости от применения охлаждения зоны легирования [54]. Результатами данных работ были установлены повышения микротвердости, износостойкости и скорости массопереноса. Однако применение этих исследований на предприятиях затруднительно, так как применяемое оборудование и расходные материалы в дополнение к основному комплекту ЭИЛ достаточно дорогостоящее, не мобильное и занимает много места в производственных помещениях. Еще одним стимулом повышения производительности легирования является ограниченное время технологического процесса заточки и разводки инструмента. В результате анализа данных о механизме процесса ЭИЛ была выдвинута гипотеза о негативном влиянии твердой фазы на скорость массопереноса. Осколки электродов величиной от 10 до 120 мкм попадая в зону легирования, не закрепляются прочно на обрабатываемой подложке, а при соприкосновении анода и катода могут быть оторваны. Закрепленные частицы у краев расплавленных ванн подвергаются последующими электроискровыми разрядами сопровождающимися массопереносом, при этом в значительной мере увеличивается пористость и повышается шероховатость ИПС. Для проверки данной гипотезы, учитывая небольшую массу твердых частиц, и для улучшения качественных характеристик образуемого покрытия производился обдув поверхности легирования струей сжатого воздуха давлением 0,1−0,15 МПа на расстоянии 20 мм от зоны легирования. В покрытии в этом случае будет содержаться меньшее количество оксидов. Охлаждение детали воздухом при жестких режимах обработки нейтрализует термическое воздействие.

В данном разделе проведены исследования, с целью повысить производительность ЭИЛ за счет удаления из зоны легирования твердой фазы сжатым воздухом и определить влияние обдува на технологические показатели ИПС в том числе распределения ЗТВ.

4.2. Исследование гранулометрического состава продуктов эрозии.

Эрозия материалов электродов, как правило, происходит в паровой, жидкой и твёрдой фазе, поэтому определение гранулометрического состава продуктов эрозии при ЭИЛ и его влияния на интенсивность массопереноса является важной задачей. В соответствии с методикой, изложенной в п. 2.3.1. проведены исследования гранулометрического состава продуктов эрозии. Опыты не менее 3 выполнялись на образцах из стали 5ХГМ обработанными выбранными электродными материалами. В таблице. 16 приведены значения гранулометрического состава продуктов эрозии при ЭИЛ. Для определения степени влияния величины приведенной энергии и длительности следования импульсов т и на процентное содержание твердой фазы в продуктах эрозии были выполнены дополнительные эксперименты с материалами анодов. Результаты экспериментов приведены в таблице 17.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенного диссертационного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены исследования об эффективности использования минеральных концентратов, которые содержат дорогостоящие легирующие элементы и добываются на территории Хабаровского края для изготовления электродных материалов с целью упрочнения дереворежущих инструментов.

2. Синтезированы новые анодные материалы \^-Сг-Со (масс. % XV — 52%, Сг — 24%, Со — 19%.) и V-Ni-Cr (масс. % - 50.2%, № - 26.3%, Сг — 18.3%) из шеелитового концентрата методом алюминотермии и последующее их применение для упрочнения изделий из инструментальных сталей. Установлено рациональное соотношение компонентов реакционной смеси (А1, \Ю3> Сг2Оэ, Со304, № 0) для синтеза электродных материалов систем: \^-Сг-Со (А1- 1.4−2.0, Сг203−0.6−1.7, Со304 — 0.5−1.4) — V-Ni-Cr (А1- 1.2−1,8, № 0−0.5−2.2, Сг304 — 0.51.4). Данные приведены в соотношении компонентов шихты с содержанием оксида вольфрама (\Ю3) в шеелите (на 1 массовую долю) [патент№ 2 428 279].

3. Применение метода определения динамической микротвердости на кромках лезвий дает более точные результаты прогнозирования износостойкости и долговечности инструментов для деревообработки, данный метод, можно, использовать как экспресс-тест при упрочнении различных клиновых поверхностей. Эффект увеличения коэффициентов упрочнения Ку и динамического упрочнения Кудин можно расположить в следующий нисходящий ряд при использовании исследованных электродов: Ку: Т15К6(3,2), ВК6(3,0), V-Cr.

Со (1,9), W-Ni-Cr (1,6), Сг (1,5), 11Х15Н25М6АГ2 (0,9), без покрытия (1) — Кудин Сг (3,1), W-Cr-Co (2,9), ¥—№-Сг (2,8), Т15К6(2,48), ВК6(2,44), 11Х15Н25М6АГ2 (2,7), без покрытия (1).

4. Рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализ позволяет заключитьчто в покрытиях сформированных V-Cr-Co, V-Ni-Cr образуются соединения Ре№, БеСг, карбиды № и Сг, оксиды Ре203> \Ю3, Сг2Оэ, и более сложные соединения типа Ре2\Ю6 вследствие диффузионных процессов в жидко-твердом состоянии. Микротвердость «белого слоя» колеблется от 39,3 до 152,4 МПа. По эффективности понижения микротвердости электродные материалы располагаются в следующий нисходящий ряд: белый слой, (МПа) -Т15К6 (152,4), ВК6 (146,4), У-Сг-Со (98,3), У-№-Сг (89,1), Сг (88,0), 11Х15Н25М6АГ2 (39,3) — ЗТВ, (МПа) — Сг (48,4), Т15К6 (46,4), V-Cr-Co (45,1), V-Ni-Cr (44,2), ВК6 (43,2), 11Х15Н25М6АГ2 (42,3).

5. Механическое удаление твердой фазы из зоны легирования путем обдува воздухом при давлении не менее 1,5 МПа позволяет ускорить процесс ЭИЛ в 2−2,5 раза, при достижении сплошности покрытия 92% - 96% толщина ИПС составляет 10 -20 мкм. Эта величина входит в поле допуска уширения режущей части дереворежущих инструментов, что позволяет упрочнять их, не изменяя геометрических параметров.

6. Предложены рекомендации по подбору электродных материалов для образования покрытий ЭИЛ в зависимости от породы древесины назначения и параметров деревообрабатывающего инструмента. Образование поверхностей с ИПС при применении процессов ЭИЛ для упрочнения дереворежущих инструментов из инструментальных сталей позволяет повысить стойкость в 2,1 — 2,6 раза.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ЭИЛ — электроискровое легирование.

ЭМ — электродные материалы.

ИПС — измененный поверхностный слой.

МЭП — межэлектродный промежуток.

ИР — искровой заряд.

БС — белый слой.

ВС — вторичная структура.

— приведённая величина энергии искровых разрядов. ^ - частота следования искровых импульсов.

ЗТВ — зона термического влияния.

Нс{ - динамическая микротвердость.

1Х — порог хрупкого разрушения.

Хер — предел прочности сцепления. о — предел прочности, МПа.

6, — глубина внедрения бойка в лезвие, мм. тк — масса подвешенной части бойка кг.

V — скорость бойка в момент удара м/с. а — угол подъема бойка перед ударом град. g — ускорение свободного падения м/с .

— радиус качания центра масс бойка м.

Ь — базовая (фактическая) длина измерения, мм. Ьпр~ суммарная длина участков с пропусками, мм.