Please use this identifier to cite or link to this item: http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/35012
Title: Технологічне забезпечення підвищеної зносостійкості швидкорізальної сталі Р6М5 комбінованими методами поверхневого зміцнення
Authors: Загребельний, Володимир Вікторович
Keywords: різальний інструмент
зносостійкість
комбіновані методи
багатошарові покриття
дискретні покриття
градієнтні покриття
Issue Date: 1-Mar-2018
Publisher: Національний авіаційний університет
Citation: Загребельний В. В. Технологічне забезпечення підвищеної зносостійкості швидкорізальної сталі Р6М5 комбінованими методами поверхневого зміцнення : дис. канд. техн. наук : 05.02.04 / Загребельний В. В. – Київ, 2018. – 195 с.
Abstract: Загребельний В.В. Технологічне забезпечення підвищеної зносостійкості швидкорізальної сталі Р6М5 комбінованими методами поверхневого зміцнення. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 «Тертя та зношування в машинах» (13 – Механічна інженерія). – Національний авіаційний університет, Київ, 2018. В дисертаційній роботі вирішувалось науково-технічне завдання підвищення зносостійкості поверхневих шарів різального інструменту зі швидкорізальної сталі Р6М5 шляхом нанесення комбінованих дискретних і градієнтних покриттів та встановлення закономірностей впливу їх структурно-фазового складу, фізико-механічних властивостей та параметрів структури на триботехнічні характеристики. Рішення поставленого завдання сприяє впровадженню перспективних технологічних процесів модифікації поверхневих шарів різального інструменту у виробництво і дозволяє значно підвищити його триботехнічні властивості та зменшити витрати. Теоретичні дослідження проводилось на підставі фундаментальних положень трибології, теорії руйнування твердих тіл, структурно-енергетичної пристосованості матеріалів. Лабораторні випробування проводились в умовах тертя ковзання та не жорстко закріплених абразивних часток, а також визначали стійкість різального інструменту в умовах точіння. Методи багатофакторного планування експерименту та математичної статистики – для обробки результатів досліджень та виконання оптимізації технологічного процесу нанесення іонно-плазмового градієнтного покриття за триботехнічними критеріями. Внаслідок отриманих результатів при проведенні наукових та експериментальних досліджень зроблені такі висновки. Вперше розроблені технологічні процеси зміцнення поверхневих шарів сталі Р6М5 попередньою дискретною лазерною обробкою і наступним азотуванням і досліджені особливості їх структуроутворення. Показано, що лазерна обробка дозволяє прискорити процеси дифузії атомів азоту в поверхневі шари сталі Р6М5 , а також зменшити крихкість та збільшити твердість азотованого покриття. Встановлено, що вищу зносостійкість забезпечує сітчасто – стільникова схема в порівнянні з схемою острівного типу. Це обумовлено тим, що дискретні ділянки з різною твердістю і товщиною сприяють кращій припрацьовуваності покриття і мінімізують напруження при терті. Зносостійкість збільшується у 1.5-1.7 разів, коефіцієнт тертя зменшується в 1,4 - 2,2 рази. Встановлено механізм зношування РІ зі сталі Р6М5 після точіння сталі 30ХГСА. Виявлено, що на поверхні тертя є прояви абразивного і втомного зношування, які полягають у втисненні абразивної частинки, дряпання і виривів поверхневих шарів різального інструменту та утворення і поширення тріщин. Встановлено, що при комплексному насиченні поверхневих шарів сталі Р6М5 азотом і титаном та азотом і хромом формуються багатокомпонентні покриття. Показано, що зносостійкість сталі Р6М5 з багатокомпонентними покриттями зростає порівняно з азотуванням, а коефіцієнт тертя зменшується. За рахунок матеріалу покриття формуються вторинні структури, які мають оптимальні властивості, що сприяє підвищенню зносостійкості. Розроблено технологічний процес формування багатошарового градієнтного покриття на основі Ti, Hf і Si. Проведено багатокритеріальну оптимізацію процесу формування зовнішнього підшару верхнього шару. Встановлено механізм зношування градієнтного покриття. Випробування в умовах тертя ковзання без змащування та стійкості в умовах точіння показали підвищення зносостійкості інструменту з даним покриттям. За результатами експериментальних досліджень були побудовані математичні моделі залежностей триботехнічних характеристик багатошарового градієнтного покриття від конструктивних, технологічних та експлуатаційних факторів. Встановлено закономірності зношування сталі Р6М5 з різними типами комбінованої обробки в умовах абразивного зносу при терті не жорстко закріпленими абразивними частками, який має місце при експлуатації РІ, показано, що стійкість РІ є вищою з покриттями, які мають вищу абразивну зносостійкість. Розроблено триботехнологію комплексного підвищення експлуатаційних характеристик сталі Р6М5 при нанесенні іонно-плазмового покриття TiN, яка полягає у дискретній лазерній обробці в режимі оплавлення поверхні невідпущеного РІ з наступним відпуском загартованого інструменту при підвищених температурах 560 – 580 °C і суміщенням його з нанесенням покриттів. Результати випробувань іонно-плазмового покриття TiN нанесеного за даною технологією показали збільшення триботехнічних характеристик в порівнянні з типовою технологією. Наукова новизна роботи полягає в наступних основних положеннях: 1. Встановлено закономірності формування структури дискретно азотованої сталі Р6М5, які на відміну від існуючих враховують схеми попередньої лазерної обробки та технологічні параметри азотування. Встановлено, що оптимальною площею обробки є 60-75 %, що узгоджується з аналітичними розрахунками напружено-деформованого стану. 2. Запропоновано механізм підвищення зносостійкості і стійкості різального інструменту зі сталі Р6М5 за рахунок дискретної лазерної обробки за сітчасто-стільниковою схемою з наступним азотуванням, згідно якого комбіноване покриття виконує дві функції: тонкий, пластичний, азотований шар на не зміцненій попередньо лазером поверхні екранує безпосередній контакт матеріалів трибоспряження і забезпечує протікання процесу припрацювання з утворенням специфічних вторинних структур з високою стійкістю до температурно – силових впливів контактного фрикційного процесу. Дискретно зміцнені з високою твердістю азотовані ділянки забезпечують мінімальні напруження при терті та підвищену зносостійкість. 3. Вперше встановлено, що при азототитануванні на сталі Р6М5 формується покриття з шарів карбіду титану ТіС та нітриду титану TiN, а при азотохромуванні з шарів карбідів Cr23С6, Cr7С3 та нітриду хрому Cr2N. Показано підвищення зносостійкості в умовах тертя ковзання без змащування та абразивної зносостійкості сталі після азототитанування та азотохромування, при цьому додаткова лазерна обробка підвищує твердість сталі, яка є підкладкою під покриттям і забезпечує сприятливий напружено-деформований стан в системі основа-покриття при терті. 4. Розроблено багатошарове градієнтне покриття на основі Ti, Hf, Si та встановлено механізм його зношування. Висока зносостійкість якого на відміну від існуючих досягається співвідношенням компонентів у верхньому (зовнішньому) підшарі, за рахунок чого забезпечується правило додатнього градієнта механічних властивостей завдяки нижчій твердості і підвищеній пластичності порівняно з нижнім основним підшаром. Зовнішній прошарок утворює вторинні структури з високою стійкістю до температурно – силових впливів контактного фрикційного процесу і створює оптимальні умови для роботи основного матеріалу покриття. 5. Встановлено зв’язок між зносостійкістю комбінованих покриттів в умовах абразивного зношування не жорстко закріпленими частинками і зносостійкістю різального інструменту при експлуатації, комбіновані покриття з більшою абразивною зносостійкістю забезпечують вищу зносостійкість різального інструменту. Запропоновано визначати конструктивні параметри покриттів на різальному інструменті зі сталі Р6М5 дискретного і градієнтних типів на основі експериментальних досліджень в умовах тертя ковзання і абразивного зношування та результатів розрахунків напружено-деформованого стану, що виникає при терті робочої поверхні різального інструменту. Практичне значення одержаних результатів. Комбіноване покриття, яке включає лазерну обробку за сітчасто – стільниковою схемою з наступним азотуванням дозволило підвищити стійкість РІ зі сталі Р6М5 в 1,7-2,2. Розроблено та захищено деклараційними патентами України: спосіб отримання зносостійких покриттів з високою припрацьовуваністю і підвищеним опором втомному руйнуванню та градієнтне покриття з високою припрацьовуваністю і зносостійкістю. Розроблена триботехнологія комплексного підвищення експлуатаційних характеристик сталі Р6М5 при нанесенні іонно-плазмового покриття TiN, яка дозволяє підвищити теплостійкість сталі Р6М5 на 20 °C та температуру нанесення покриттів до 580 ˚С, що є оптимальною для нанесення зносостійких покриттів високої якості. Запропонований спосіб нанесення іонно-плазмового покриття TiN використано для зміцнення інструменту при точінні легованої термообробленої сталі ХВГ і дозволить скоротити витрати інструменту при обробці важкооброблюваних легованих сталей та отримати річний економічний ефект в сумі 45 000 гривень в рік.
Zahrebelyi V.V. Technological providing of high wear resistance of high-speed steel Р6М5 by combined methods of surface hardening. - Qualifying scientific work on the rights of manuscripts. The thesis for the degree of a candidate of technical sciences in specialty 05.02.04 "Friction and wear in the machines" (13 - Mechanical engineering). - National Aviation University, Kyiv, 2018. In the thesis was solving the scientific and technical task of increasing the wear resistance of surface layers of cutting tool from high-speed steel P6M5 was solved by applying combined discrete and gradient coatings and establishing patterns of influence of their structural-phase composition, physical-mechanical properties and structural parameters on tribotechnical characteristics. The decision of the given task facilitates introduction of perspective technological processes of modification of surface layers of cutting tools into production and allows to significantly increase its tribotechnical properties and reduce costs. Execution of theoretical studies was carried out on the basis of the fundamental provisions of tribology, the theory of the destruction of solids, the concept of self-organization and wear-resistance of tribosystems, structural and energy adaptability of materials. Laboratory tests were carried out under conditions of slip friction and not rigidly fixed abrasive particles, and also determined the stability of the cutting tool in finishing. Methods of multifactorial planning of experiment and mathematical statistics - for processing of results of researches and performance of optimization of the technological process of applying ion-plasma multilayer gradient coatings according to tribotechnical criteria. On the basis of the obtained scientific and practical results, the following conclusions were made. For the first time technological processes of strengthening of surface layers of steel Р6М5 by preliminary discrete laser treatment and subsequent nitriding have been developed and features of their structure formation have been investigated. It is shown that laser processing allows accelerating the processes of diffusion of nitrogen atoms in the surface layers of steel P6M5, as well as reducing the fragility and increasing the hardness of the nitrogen coating. It has been established that higher wear resistance provides cellular circuitry compared with the island type scheme. This is due to the fact that discrete areas with different hardness and thickness contribute to better wearing of the coating and minimize stress when rubbed. Wear resistance increases 1.5-1.7 times, the coefficient of friction decreases in 1.4-2.2 times. The mechanism of wear of a cutting tool made of steel R6M5 after finishing the steel 30ХГСА was established. It was found that on the surface of friction there are manifestations of abrasive and fatigue wear, which consist in penetration the abrasive particles, scratching and pulling out the surface layers of the cutting tool and the formation and spread of cracks. It was established that in the complex saturation of surface layers of steel P6M5 by deposition of n+ti and n+cr diffusion coatings formed multicomponent coatings. It is shown that wear resistance of P6M5 steel with multi-component coatings increases compared to nitriding, and the coefficient of friction decreases. Due to the coating material, secondary structures are formed that have optimal properties, which contributes to increased wear resistance. The technological process of formation of a multilayered gradient coating on the basis of Ti, Hf and Si is developed. The multicriteria optimization of the formation of the outer sublayer of the upper layer has been carried out. The mechanism of wear of the gradient coating is established. Tests in conditions of slip friction without lubrication and stability in finishing have shown increased wear resistance of the tool with this coating. According to the results of experimental research, mathematical models of dependencies of tribotechnical characteristics of multilayer gradient coating from constructive, technological and operational factors were constructed. The regularities of deterioration of steel Р6М5 with different types of combined treatment in the conditions of abrasive wear with friction not rigidly fixed abrasive particles, which occurs during the operation of cutting tools, has been shown that the stability of the cutting tool is higher with coatings that have a higher abrasive wear resistance. The tribotechnology of complex increase of operational characteristics of steel Р6М5 at application of ion-plasma coating TiN, which consists in the discrete laser treatment in the mode of melting of the surface of an unopened cutting tool which consists in the discrete laser treatment in the mode of melting of the surface of cutting tool without temperin and following temperin afterwards hardening of the cutting tool at elevated temperatures of 560-580 ° C and its combining with the application of coatings, has been developed. The results of tests of ion-plasma coating of TiN deposited on this technology showed an increase in tribo-technical characteristics compared with the typical technology. The scientific novelty of the work consists in the following basic provisions: 1. The regularities of formation of the structure of discretely nitrated steel Р6М5, which, in contrast to the existing ones, take into account schemes of preliminary laser treatment and technological parameters of nitriding, are established. It was established that the optimum processing area is 60-75%, which is consistent with the analytical calculations of the stress-strain state. 2. The mechanism of increasing the wear resistance and tool life of the cutting tool made of steel P6M5 by discrete laser treatment according to the cellular circuitry followed by nitriding, according to which the composite coating performs two functions: a thin, plastic, nitrided layer on a previously unscreened surface of the laser shields the direct contact materials of tripartite and provides the process of working with the formation of specific secondary structures with high resistance to the temperature - force influences friction process. Highly hardened, discretely nitrogenated areas provide minimal stresses in friction and increased wear resistance.. 3. It was found for the first time that steel P6M5 after N+Ti diffusion coatings a coating is formed from layers of TiC titanium carbide and TiN nitride, and N+Cr diffusion coatings of Cr23C6, Cr7S3 and chromium nitride Cr2N. It is shown increase of wear resistance in the conditions of sliding friction without lubrication and abrasive wear resistance of steel after N+Ti AND N+Cr diffusion coatings, while the additional laser treatment increases the hardness of the steel, which is a substrate under the coating and provides a favorable strain state in the system of base-coating at friction. 4. A multilayered gradient coating on the basis of Ti, Hf, Si was developed and the mechanism of its wear was established. The high wear resistance of which, unlike existing ones, is achieved by the ratio of components in the upper (external) sublayer, due to which the rule of a positive gradient of mechanical properties is provided due to lower hardness and increased ductility compared with the lower main substrate. The outer layer forms secondary structures with high resistance to the temperature - force influences of the contact friction process and creates optimal conditions for the work of the main coating material. 5. The connection between the wear resistance of the combined coatings in the conditions of abrasive wear with not hardened particles and wear resistance of the cutting tool during operation, the combined coatings with a greater abrasive durability provide higher wear resistance of the cutting tool. It is proposed to determine the structural parameters of coatings on a cutting tool made of steel of R6M5 of discrete and gradient types on the basis of experimental research in conditions of friction of sliding and abrasive wear and results of calculations of stressed-deformed state that arises when friction of working surface of a cutting tool. The practical value of the results. Combined coating, which includes laser treatment for the mesh-cellular scheme with subsequent nitriding, allowed to increase the stability of cutting tools from steel P6M5 in 1,7-2,2. Developed and protected by the declarative patents of Ukraine: a method of obtaining wear-resistant coatings with high workability and increased resistance to fatigue fracture and gradient coating with high workability and wear resistance. The tribotechnology of complex increase of operational characteristics of steel Р6М5 at application of ion-plasma coating TiN, which allows to increase heat resistance of steel P6M5 at 20 ° C and the temperature of application of coatings to 580 ˚С, which is optimal for application of wear-resistant coatings of high quality. The proposed method of applying ion-plasma coating TiN is used to strengthen the tool for mechanical processing the doped heat-treated steel of the HVC and will allow to reduce the cost of the tool in the processing of hard-working alloy steels and get an annual economic effect of 45 000 hryvnyas per year.
URI: http://er.nau.edu.ua:8080/handle/NAU/35012
Appears in Collections:Дисертації та автореферати кафедри машинознавства

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Дисертація.pdf5.09 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.