Повышение эксплуатационных свойств мелкоразмерного инструмента и технологической оснастки карбонитрированием в порошковых активированных древесноугольных смесях

Актуальность темы

Повышение эксплуатационных свойств мелкоразмерного тонколезвийного и специального режущего инструмента, формообразующей оснастки при изготовлении прецизионных деталей в приборостроении, электронике в значительной^ мере определяются технологией упрочнения. Изучение и разработка технологии карбонитрирования с учетом металловедческих аспектов и особенностей диффузионных процессов, выбор оптимальных составов порошковых смесей и соответствующего оборудования является в этой связи важным направлением исследования.

Необходимо решить задачу поверхностного упрочнения инструмента химико-термической обработкой, так как покупной стандартизованный и специальный инструменты из высоколегированных сталей подвержены износу и преждевременному разрушению при незначительном времени наработки в условиях контактного трения в процессе изготовления деталей сложной конфигурации из прецизионных сплавов, лент, термостойких керамик.

Широко известные технологии упрочнения (ионно-плазменное азотирование, напыление нитридных слоев нитрида титана, карбонитридных карбидов хрома) требуют применения специального дорогостоящего оборудования, создания специальных участков обработки и экономически целесообразны при массовом, крупносерийном производстве.

Нами предлагаются новые технологии химико-термической обработки мелкоразмерных деталей, инструмента, оснастки из легированных сталей с суммой легирующих элементов от 7−8% до 20−25%, содержащих от 4 до 13% Сг, в активированных древесноугольных смесях с целью повышения износостойкости, сопоставимой с дефицитными твердыми сплавами вольфрамо-кобальтовой и титанокобальтовой групп. Разработанные технологии могут быть осуществимы в условиях малых термических участков единичного и мелкосерийного производств опытных и ремонтных предприятий при минимальных затратах на термическое оборудование и вспомогательные материалы, при небольших энергозатратах, простоте их осуществления и максимальной эффективности обработки.

Цель исследования. Научное обоснование и разработка технологии карбонитрирования тонколезвийного инструмента и оснастки из высоколегированных сталей различных классов методом диффузионного насыщения поверхности в порошковых древесноугольных смесях и составах, в том числе с последующей лазерной закалкой, с целью повышения их эксплуатационных свойств до уровня близкого к свойствам твердых сплавов.

Задачи исследования:

— провести сравнительный анализ существующих жидких и твердых карбюризаторов, исследовать и разработать составы новых порошковых смесей, установить оптимальное соотношение активаторов и наполнителей, а также расход компонентов для высоколегированных, хромсодержащих сталей на единицу упрочняемых площадей изделийизучить особенности формирования диффузионных карбидных и карбонитридных слоев при высокотемпературном карбонитрировании (карбидизации) в интервалах 900 — 1000 °C и низкотемпературном карбонитрировании при 560−620°С в средах с высоким углеродным и азотным потенциалом применительно к быстрорежущим сталям карбидного класса типа Р6М5, теплостойким перлитного или мартенситного класса типа 4Х5МФС и высокохромистым мартенситным типа 20X13, применяемым для изготовления специального режущего и формообразующего инструмента и оснасткиоценить коэффициенты диффузии углерода и азота и условия формирования слоев с содержанием 60 — 80% карбидовисследовать влияние режимов химико-термической обработки на структуру, фазовый состав и свойства диффузионных слоев, определить толщины слоев на сталях после закалки в зависимости от температуры карбонитрирования, а также при проведении низкотемпературных процессов при температурах в пределах температур отпуска. Изучить влияние режимов карбонитрирования на поверхностную твердость, ударную вязкость, хрупкость, износостойкость, коррозионную стойкость, контактную прочность;

— определить рациональные режимы высокотемпературного и низкотемпературного карбонитрирования специального мелкоразмерного режущего, штампового, формообразующего инструмента и оснастки с использованием активных древесноугольных смесей в малоэнергоемком оборудовании, применяемом в мелкосерийном и единичном производстве предприятий приборостроения, электротехники, электроникиисследовать упрочнение инструмента, прошедшего карбонитрирование дополнительным лазерным излучением;

— реализовать разработанные технологии карбонитрирования в условиях опытного производственного предприятия спецтехники ОКБ «Факел» и малых предприятиях ремонта двигателей в регионе особой экономической зоны «Янтарь» — Калининградской области.

Основные защищаемые положения и технические решения:

— теоретические модели прогнозирования структуры и свойств диффузионных слоев при низкотемпературных и высокотемпературных процессах карбонитрирования, в том числе совмещенных с закалкой и последующим дополнительным лазерным упрочнениемсоставы новых активированных порошковых древесноугольных смесей с введением азотоуглесодержащих (карбамид, триэтаноламин, моноэтаноламин) и азотоуглеродонатрийсодержащих активаторов (трилон-Б), а также их расходов на единицу упрочняемых поверхностейтехнологические схемы осуществления способов карбонитрирования с загрузкой «контейнер в контейнер» в окислительных камерных электропечах, в том числе в вакуумных электропечах с «горячей ретортой».

Научная новизна:

— теоретически и экспериментально обоснованы и показаны возможности интенсификации упрочнения высоколегированных сталей различных классов — карбидного, быстрорежущих вольфрамомолибденовых, теплостойких мартенситного класса и высокохромистых мартенситных при проведении процессов в разработанных порошковых древесноугольных смесях с активизирующими добавками;

— обнаружено ускорение процессов диффузии и возможность формирования карбидных слоев с содержанием выше 50%-вес карбидов и карбонитридов, что позволяет при высокотемпературных процессах достигать износостойкости, сопоставимой с характеристиками твердых сплавоввпервые экспериментально установлены оптимальные условия упрочнения специальных тонколезвийных мелкоразмерных инструментов, оснастки сложной конфигурации для получения высоких механических и эксплуатационных свойств инструмента применительно к специальному приборостроениюопределены оптимальные режимы скоростного диффузионного насыщения слоев высокохромистых сталей в разработанных нами карбюризаторах с высоким углеродным потенциалом, и впервые установлено явление укрупнения, сращивания глобулярных и ветвистых карбидов при низкои высокотемпературном карбонитрировании;

— впервые показано, что лазерная обработка карбонитрированных слоев, содержащих до 0,6% азота позволяет формировать на сталях 4Х5МФС, Р6М5, Р6М5-П слои с высокой твердостью при значительных количествах азотного аустенита, что повышает износостойкость инструмента в 1,8−2.2 раза. Практическая значимость и ценность работы: получены исходные данные для разработки новых технологий химико-термической обработки и осуществлены процессы карбонитрирования инструмента из сталей Р6М5 и Р6МЗ, из сталей типа 4Х5МФС и 4ХЗВМФ, оснастки из сталей 20X13 и 30X13, в новых порошковых смесях, активированных углеродоазотонатрийсодержащими компонентами, позволяющими повысить механические свойства основного металла и глубину диффузионных слоев в 2 — 2,5 раза, достигнуть износостойкости на уровне твердых сплавов. разработаны процессы ускоренной, малоэнергоемкой обработки специального инструмента и оснастки в условиях опытных, мелкосерийных и ремонтных цехов предприятий с сокращением трудоемкости, энергоемкости, затрат на вспомогательные материалы в 1,4−1,5 раза при увеличении выхода годного инструмента и улучшения качества химико-термической обработкиэкономическая целесообразность разработанных технологических процессов подтверждена повышением эксплуатационных свойств упрочненного мелкоразмерного инструмента и оснастки на различных предприятиях Калининградской области. Акты внедрения прилагаются.

— результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс по курсу «Основы электротехнологий» для студентов дневной и заочной форм обучения высших учебных заведений по специальностям 180 404.65 (240 600) — Эксплуатация электрооборудования и автоматика судов, 150 207.65 (72 100) -Реновация средств материального производства в ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет» Достоверность результатов подтверждается: использованием современных методов определения фазового и химического рентгеноспектрального анализа структуры, состава диффузионных слоев, изменения размеров и характера карбидных слоев, содержащих выше 60% карбидоввысокой воспроизводимостью результатов при экспериментальном исследовании структур карбидных и карбонитридных слоев, размеров и типа карбидов в сталях трех классов в зависимости от температурно-временных параметров процессов диффузионного насыщения, состава и расхода порошковых смесейвысокими результатами производственных испытаний упрочненных карбонитрированием инструментов и деталей оснастки при изготовлении прецизионных деталей из специальных сплавов и керамик.

Реализация работы. Разработанные технологии химико-термической обработки апробированы и освоены в опытно-промышленном производстве ЭРДМТ (электрических реактивных двигателей малой тяги) в ОКБ «Факел» г. Калининграда, в фирме «Дизель», на Янтарном комбинате Калининградской области и в фирме «Метулак».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены на конференциях:

— на всероссийском собрании металловедов, г. Пенза, 1999 г.- Межвузовской конференции в Калининградском военном институте федеральной пограничной службы, г. Калининград, 1999 г.- Междисциплинарном семинаре «Фрактальная и прикладная синергетика (стендовый доклад), г. Москва, 1999 г.- конференциях «Балтехмаш» 1999, 2000 г., г. КалининградСовещании Балтийской ассоциации производителей, г. Калининград, 2001 г.- VIII конференции КВИПС, 2001; XXII Российской школе науки и техники, 2001 г., 2010 г., г. Екатеринбургконференции «Технологии третьего тысячелетия», 2001 г., г. Санкт-ПетербургИнновации в науке и образовании 2010 г., г. Калининград, XXX Российская школа по проблемам науки и технологий. — Миасс, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в центральных журналах по списку ВАК РФ, 11 тезисов докладов, 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения, списка использованных источников (96 наименований), приложенийсодержит 136 страниц, 35 рисунков, 32 таблицы, а также 2 акта внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Решены задачи процесса карбонитрирования с целью упрочнения высоколегированных сталей различных классов — карбидного, быстрорежущих вольфрамомолибденовых, теплостойких мартенситного класса и высокохромистых мартенситных.

1. Исследованы предложенные нами новые активированные порошковые и гранулированные смеси на основе Древесного активированного угля с введением в качестве активаторов карбамида (КН2)2СО и натрийсодержащего трилонаБ (СюНвОю^аг^, а также триэтаноламина (С2Н4ОН)з1чГ и моноэтаноламина. Впервые показано влияние активизирующих добавок на возможность формирования карбидных и карбонитридных слоев на высоколегированных сталях с содержанием хрома 4−13%. Установлено влияние натрийсодержащего компонента на диффузионное насыщение углеродом и азотом высокохромистых сталей, в результате чего происходит сращивание карбидов в диффузионных слоях сталей Р6М5, 4Х5МФС, 20X13 при высокотемпературном карбонитрировании в интервалах температур 940 — 980 °C.

2. Исследованы особенности формирования диффузионных карбонитридных слоев в низкотемпературной (560−700 °С) и высокотемпературной (900−980 °С) областях. Показано, что формирование слоев в высокотемпературной области с высоким углеродным потенциалом среды протекает с развитием реакционной диффузии с образованием на всех испытанных сталях трехфазной зоны у+М3С3+М3С с содержанием карбидов в слое выше 60%.

3. Методом послойного анализа и компьютерным сканированием исследованы структуры диффузионных слоев при карбонитрировании сталей Р6М5, Р6М5-МП, 4Х5МФС, 20X13, с помощью методов рентгеноструктурного и масспектрометрического анализа определены типы карбидов и карбонитридов, химический состав карбидов, карбонитридов и вязкой основы. Смоделированы процессы науглероживания высоколегированных сталей при ограниченном азотном потенциале с высоким углеродным потенциалом, созданного нами карбюризатора.

4. Определены основные физико-механические свойства карбонитридных слоев (микротвердость, прочность при изгибе, трещиностойкость), а также эксплуатационные характеристики при различных технологических схемах обработки. Показано, что эффективность процессов карбонитрирования хромсодержащих сталей зависит не только от температурно-временных параметров процесса, но и от способов упаковки в контейнер и расхода смесей на единицу площади обрабатываемых деталей.

5. Разработаны и внедрены оптимальные технологии обработки инструмента, оснастки, деталей пар трения. Модернизировано малоэнергоемкое оборудование — электропечи потребляемой мощностью 2−5-10 кВт типов СНОЛ 1,6'2,5'1/10И2:ПЛ-10, ПЛ-20 на опытно-конструкторском бюро «Факел», фирме «Дизель», позволяющие интенсифицировать процессы карбонитрирования.

6. Разработаны технологии и определены основные принципы лазерного упрочнения предварительно карбонитрированного в зависимости от его конструкции и назначения инструмента.

Основные положения диссертации изложены: в изданиях из перечня журналов ВАК.

1. Колина Т. П. Малоэнергоемкие электропечи для термической обработки и химико-термической обработки деталей и инструмента в приборостроении. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина //Технология металлов. — 1999. -№ 1. -С.2−7.

2. Колина Т. П. Термическая обработка дисковых фрез. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина // СТИН. -2000. — № 1. -С.38−40.

3. Колина Т. П. Технологические особенности применения нитроцементованных высокохромистых сталей при изготовлении инструмента ротационного формообразования и выглаживания. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, Е. Н. Евсина // Материаловедение. — 2000. -№ 4. -С. 51 -55.

4. Колина Т. П. Плазменное и лазерное упрочнение режущего инструмента для обработки конструкционных керамик. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, В. В. Томашевская, //Перспективные материалы. — 2000. — № 6. -С. 81−86.

5. Колина Т. П. Вакуумная термическая и химико-термическая обработка инструмента для резания и обработки прецизионных деталей. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, А. Г. Нятит //Технология машиностроения. — 2001. -№ 2(8). — С.27−32.

6. Колина Т. П. Из опыта применения нитроцементованных сталей 4ХЗВМФ, 4Х5МФС для инструмента пищевой, бумажной и деревообрабатывающей отраслей. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, E.H. Евсина //Инструмент Сибири. — 2001. — № 2 (11). -С.45−50.

7. Колина Т. П. Вакуумная химико-термическая обработка инструмента в приборостроении, электронике, машиностроении. /А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, А. Г. Нятин//Технология машиностроения. — 2001. — № 5.

— С.12−21.

8. Колина Т. П. Использование нитроцементованных сталей для тонколезвийной обработки керамических и композициоиных материалов. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, Г. Д. Ткачевская // Инструмент и технологии. — 2001. — № 5−6. -С.5−7.

9. Колина Т. П. Исследование режимов термической обработки сложнопрофильного инструмента. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, Е. Н. Евсина //Машиностроитель. -2001. -№ 11. — С.32−37.

Ю.Колина Т. П. Концевой шлифова льный инструмент с твердыми карбидными покрытиями. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, Я. Стабрыл (Польша) //СТИН. — 2002. -№ 11.-С. 12−13.

12. Колина Т. П. Структура и свойства нитроцементованных сталей 4Х5МФС и 20X13, использованных для изготовления режущего инструмента / А. Н. Тарасов, Колина Т. П. //МиТОМ. — 2003. — № 5. — С.32−36.

13. Колина Т. П. Особенности формирования структур и коррозионные свойства азотоцементированных высокохромистых сталей / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, E.H. Евсина // Защита металлов., 2004. том 40., № 1. — С 100−105.

14. Колина Т. П. Высокопрочный инструмент для дорнования и вырубки из нитроцементованной стали 5ХЗВМФ. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина //Вестник машиностроения, № 3, 2004, — С. 57 — 59.

15. Колина Т. П. Ресурсосберегающие технологии упрочнения деталей никотрированием в древесноугольных составах. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина //Машиностроение, № 6, 2004, — С.19−23.

16. Колина Т. П. Влияние состава, структуры и состояния поверхности на с руктуру и свойства диффузионных слоев при высокотемпературной нитроцементации сталей в активированных древесноугольных смесях. / А. Н. Тарасов, Т. П. Колина, В. В. Брюханов // Вестник ОГУ- 2010. — № 10. — С. 148−152.

17. Колина Т. П. Влияние исходной структуры и подготовки поверхности высоколегированных сталей на свойства диффузионных слоев при цементации в древесно-угольных смесях с активирующими добавками. / А. II. Тарасов, Т. П. Колина, В. В. Брюханов //Упрочняющие технологии и покрытия. — 2011. — № 1. — С. 41 -45.

В других изданиях:

1. Патент RU № 2 205 892 С1 Российская Федерация, МПК 7 С23С8/76, С23С8/80. Способ упрочнения режущего и формообразующего инструмента из теплостойких хромистых сталей / А. Н. Тарасов, E.H. Евсина, Т. П. Колина (РФ) — заявитель и патентообладатель Калининградский государственный технический университет. -№ 2 001 130 078/02- заявл. 06.11.2001; опубл. 10.06.2003 г., Бюл. № 16. — С. 12.

2. Патент RU № 2 237 744 Росийской Федерации, МПК7 C23C8/76, C21D1/74. Способ никотрирования стальных деталей и инструмента /А.Н.Тарасов, Г. П. Анастасиади, Т. П. Колина (РФ) — заявитель и патентообладатель Калининградский государственный технический университет. — № 2 003 107 315- заявл. 17.03.2003; опубл. 10.10.2004 г., Бюл. № 28. — С. 14.

3. Колина Т. П. Из опыта компьютерной обработки структуры и строения диффузионных слоев на высокохромистых сталях. Т. П. Колина, А. Н. Тарасов, E.H. Евсина //Балттехмаш — 2002. Сборн. научн. статей .- Калининград, 2002. -С. 131 135.

4. Колина Т. П. Структура и свойства нитроцементованной высокохромистой стали 20X13. / Т. П. Колина, А. Н. Тарасов, E.H. Евсина //Технологии третьего тысячелетия — науч. -техн. конф. -С.Пб.: 2002 г. — С.5−7.

5. Колина Т. П. Применение шпроцементованных сталей 4ХЗВМФ и 4Х5МФС для инструмента переработки в пищевой и бумажной отраслях региона. / Т. П. Колина, А. Н. Тарасов, E.H. Евсина //Тезисы доклада. Сборник трудов Балтийской ассоциации машиностроителей. -Т. 1. -Калининград, 2001. -С. 52.

6. Колина Т. П. Износостойкий инструмент из шпроцементованных сталей 4Х5МФС и 20X13. / Т. П. Колина, А. Н. Тарасов, E.H. Евсина //ХХП Российская школа развития науки и технологий. -Екатеринбург, 2002.-С. 27−33.

7. Колина Т. П. Разработка технологии изготовления формообразующего и режущего инструмента из нитроцементованной высокохромистой стали. / Т. П. Колина //. Тезисы доклада. -Калининград, 1999. -С. 11.

8. Колина Т. П. Применение нитроцементованных сталей 4ХЗВМФ и 4Х5МФС для насадного инструмента переработки сельхозпродуктов и целлюлозы. / Т. П. Колина,.

A.Н. Тарасов, E.H. Евсина // Сборник трудов Балтийской ассоциации машиностроителей. -Т 1 .-Калининград, 2001. -С. 131−135.

9. Колина Т. П. Высокотемпературное карбонитрирование концевого шлифовального инструмента из стали 20X13 в активированных древесно-угольных смесях. /Т. П. Колина //Инновации в науке и образовании 2010. — Калининград, 2010. — С.28−30.

10. Колина Т. П. Определение структуры и фазового состава карбонитрированной в порошковых древесноугольных смесях высокохромистой стали. /Т. П. Колина, В. В. Брюханов, А. Н. Тарасов, // Сборник «Новые технологии», труды 1 Межотраслевой конференции, М., — Москва: РАН, 2010. -С. 123−124.

11. Колина, Т. П. Технология комбинированного упрочнения мелкоразмерного инструмента лазерной и химико-термической обработкой. [Текст] /Т. П. Колина, В.

B. Брюханов, Д. С. Придашшков //Сборник «Новые технологии», труды 1 Межотраслевой конференции, М., — Москва: РАН, 2010. -С. 125−126.