Применение износостойких покрытий и новых инструментальных материалов повышает стойкость инструмента в два и более раз, что положительно сказывается на производительности и себестоимости лезвийной обработки. Проведен анализ влияния нанесения покрытий путем диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на стойкость твердосплавных пластин из сплавов, а также на качество обработки труднообрабатываемых сплавов повышенной вязкости. Приводятся рекомендации по увеличению стойкости режущего инструмента.
Ключевые слова: твёрдый сплав, диффузионная металлизация, износостойкие покрытия
The use of wear-resistant coatings and new tool materials increases tool durability in two or more times, which positively affects the productivity. The analysis of the influence of deposition of coatings by the diffusion metallization from environment of the fusible liquid metal solutions at resistance of alloy carbide inserts, and to the quality of the processing of hard alloy with high viscosity, has been performed. Recommendations are provided to increase the resistance of the cutting tool.
Key words: tungsten carbides, diffusion metallization, wear-resistant coatings
Проведение аварийно-спасательных работ, при ликвидации последствий транспортных и техногенных аварий, природных катастроф, пожаров и других чрезвычайных ситуаций не обходится без применения аварийно-спасательного инструмента (АСИ).
При этом разборка завала с применением образцов АСИ предполагает выполнение технологических операций по резке (перекусыванию) металлоконструкций и арматуры, по подъему (перемещению) и сдвигу (смещению) различных элементов строительных конструкций и промышленных изделий. Все выше перечисленное предъявляет все более высокие требования к стойкости и надежности инструмента, поэтому проблема повышения стойкости инструмента является актуальной. В соответствии с этим, проблема повышения стойкости режущего стального инструмента является, актуальной [1].
Повышение эксплуатационных характеристик аварийно-спасательного инструмента, ведется в нескольких направлениях.
Первый метод заключается в оптимизации состава твердого сплава путем применения в качестве связующего многоэлементных твердых растворов, а в качестве твердой фазы — карбидов, карбонитридов, металлических элементов.
Второй метод — это изменение механических характеристик поверхностных слоев режущей части инструмента за счет изменения состава, которое осуществляется путем нанесения покрытий.
Для создания идеальной режущей поверхности, обеспечивающей инструменту высокую стойкость, необходимо сочетание ряда качеств. Так, повышение износостойкости инструмента требует повышения его твердости, а это вызывает увеличение склонности материала к хрупкому разрушению — сколу, выкрашиванию рабочих поверхностей. Повышение теплостойкости, требующее повышения степени легирования инструментальных сплавов, приводит, чаще всего, к снижению его теплопроводности, а это вызывает уменьшение интенсивности отвода тепла от рабочих поверхностей и их перегрев.
Работоспособность инструментального и других материалов очень часто определяется свойствами поверхностных слоев, которые можно изменять с помощью их легирования за счет применения химико-термической обработки (ХТО), а также нанесением соответствующих покрытий методами химического и физического осаждения. В соответствии с этим в настоящее время основным направлением, обеспечивающим повышение работоспособности инструмента, является развитие и применение данных технологий.
Диффузионной металлизацией называется химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием и др. После такой обработки повышаются жаростойкость, износостойкость, коррозионная стойкость. Однако диффузионная металлизация всегда требует большой затраты времени.
Алитирование (алюминирование) — процесс диффузионного насыщения металлов и сплавов алюминием с целью повышения жаростойкости, окалиностойкости, коррозионной и эрозионной стойкости, за счет образования на поверхности деталей прочного окисла Al2O3.
Силицирование — насыщение поверхности деталей кремнием. Используют главным образом газовое силицирование. Детали помещают в ретортные печи, засыпают порошком ферросилиция, карборунда, нагревают до 950–1050 °С и пропускают хлор. В результате диффузионного насыщения поверхности кремнием (силицирования) повышается жаростойкость до 800–850 °С, слой хорошо сопротивляется истиранию и коррозионностоек даже в таких средах, как морская вода и некоторых кислотах, твердость и износостойкость металлов и сплавов.
Хромирование — насыщение поверхности деталей хромом. В результате диффузионного хромирования повышается износостойкость и коррозионная стойкость, а также сопротивление усталости. Наибольшее распространение получили порошковый и вакуумный метод хромирования.
Борирование — насыщение поверхности металлов и сплавов бором с целью повышения твердости и износостойкости, а также коррозионной стойкости. Борированию подвергают стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, никелевые сплавы и тугоплавкие металлы.
Титанирование — насыщение поверхности деталей титаном. Титанирование проводят с целью повышения коррозионной и кавитационной стойкости, а также поверхностной твердости и износостойкости сталей, чугунов и цветных сплавов. Титанирование проводят в порошковых смесях, в расплавах солей электролизным и безэлектролизным способом, в паровой фазе с использованием вакуума, в газовых смесях и в пастах с нагревом ТВЧ.
Используемые на данный момент технологии ХТО, химического и физического осаждения в основном направлены на повышение износостойкости инструмента, которое достигается созданием на его поверхности слоев с очень высокой твердостью. Однако более широкое и эффективное повышение работоспособности инструмента может обеспечить практически не применяемая в настоящее время (за исключением хромирования) диффузионная металлизация, позволяющая создавать на поверхности инструмента и регламентировано твердые износостойкие слои, и слои, обладающие высокой вязкостью, теплопроводностью, слои, защищающие инструмент от агрессивного воздействия рабочей среды и т. д.
Среди способов диффузионной металлизации наиболее эффективным для повышения стойкости инструмента является способ нанесения покрытий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (ЛЖМР). Данная технология, заключающаяся в выдержке изделия в ванне с легкоплавким металлическим расплавом, в котором растворен элемент или элементы покрытия, позволяет получать покрытия одновременно на партии изделий, на инструментах самой сложной конфигурации, при наличии на нем острых кромок, малых отверстий, глубоких полостей, а также совмещать процесс металлизации с термической обработкой. При этом образующиеся покрытия характеризуются равномерностью по толщине, стабильностью состава, свойств и высоким качеством.
В настоящее время препятствием для широкого использования рассматриваемой технологии является то, что многие вопросы, касающиеся диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, недостаточно изучены. Это вопросы выбора состава среды насыщения (транспортного расплава), элемента покрытия, кинетики и механизма формирования покрытий. Нерешенными остаются задачи, связанные с характером взаимодействия элементов покрытия и элементов покрываемого материала, а также связанные с влиянием покрытий на геометрические размеры изделий, шероховатость покрытых поверхностей. Требуют дополнительного изучения вопросы влияния термического воздействия металлизационного нагрева и последующих термических обработок на материал изделия и на работоспособность изделия в целом. Должны быть решены задачи оптимизации режимов диффузионной металлизации и термической обработки, и создано эффективное технологическое оборудования для практической реализации данной технологии [2].
В связи с изложенным представляется весьма актуальным научно обоснованное решение перечисленных вопросов и материаловедческих задач, разработка технологий, позволяющих изменять свойства поверхностных слоев инструмента в направлении повышения его стойкости, а также научная оценка влияния поверхностного легирования, происходящего после металлизации инструмента, на его свойства.
В своей работе Соколов с соавторами показали, что нанесение диффузионных никель-медных покрытий на твердые сплавы обеспечивает значительное улучшение качества чистовой обработки алюминиевых сплавов. Данное улучшение качества обработки, как показывает анализ состояния передней поверхности резца, связан с отсутствием наростообразования на этой поверхности на твердосплавных пластинах с никель-медным покрытием.
Исходя из этого, мы видим, что нанесение никель-медных покрытий на твердые сплавы обеспечивают значительное повышение качества обработки вязких труднообрабатываемых сплавов [3].
Литература:
- Дашевский А. Р., Полетаев В. А. Анализ технических характеристик отечественного аварийно-спасательного инструмента. NOVAINFO.RU — 2016 г. — № 53, стр. 47–54
- Соколов А. Г. Разработка теоретических и технологических основ повышения стойкости режущего и штампового инструмента за счет диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидко-металлических растворов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Краснодар — 2008, 320 стр.
- Sokolov A. G., Bobylyov E. E. (2014) Diffusion metallization of tungsten carbides as a way to improve the quality of processing of hard alloys. ISJ Theoretical & Applied Science 11 (19): 55–58. doi: http://dx.doi.org/10.15863/TAS.2014.11.19.11
