технические науки/ 8. Обработка материалов в машиностроении
К.т.н. Гончаров В.С., аспирант Васильев
Е.В.
Тольяттинский государственный университет
Восстановление и упрочнение металлообрабатывающего инструмента
Одним из распространенных инструментов для холодной
раскатки трубных заготовок являются раскатные ролики, изготавливающиеся из
штамповой стали 5ХГМ с твердостью 44-48 HRC после закалки в масле при
температуре 820-850°С и отпуска при температуре 410-440°С [6].
Возможными путями повышения эксплуатационных
характеристик раскатных роликов, как одного из видов металлообрабатывающего
инструмента, является поверхностно-пластическое деформирование [1, 2] или нанесение защитных покрытий [4]. Однако, при температуре синтеза (500-550°С) таких
ионно-плазменных покрытий, как TiAlN, происходит разупрочнение штамповой стали до твердости 40 HRC, и
большая разница в твердости подложки и поверхностного слоя покрытия снижает
ударную вязкость, что ведет к образованию трещин при динамических нагрузках
инструмента [5]. Следовательно, для предотвращения разупрочнения
основы при ионно-плазменном напылении следует понижать температуру синтеза
покрытия или наносить промежуточные термостойкие слои.
Следует также отметить, что большая часть
раскатных роликов приходит в негодность при износе порядка 1-2% массы, в связи
с чем становится актуальным восстановление изношенной поверхности, например,
газопламенным напылением [3].
Целью работы
является повышение износостойкости раскатных роликов из штамповой стали
газопламенным и ионно-плазменными покрытиями.
Газопламенное напыление производилось с
помощью горелки порошкового напыления оригинальной конструкции и установки
ТОП-ЖЕТ – 2.
После абразивного износа поверхности
(уменьшение геометрического размера более 1 мм) восстановление раскатных
роликов производилось по следующему технологическому процессу:
1.
Предварительная
механическая обработка наружных поверхностей шлифованием с целью устранения
дефектов, придания правильной геометрической формы и получения единого
базирования.
2.
Струйно-абразивная
обработка карборундом до получения шероховатости поверхности Rz20.
3.
Газопламенное
напыление порошка ПН70Х17С4Р4.
4.
Локальное
оплавление покрытия.
5.
Механическая
обработка (шлифование, полировка) абразивным инструментом до восстановления
требуемой геометрии.
Образцы с покрытиями исследовали
металлографически на микроскопе «Неофот-2». Микротвердость покрытий определяли
на микротвердомере ПМТ-3. Ошибка в измерениях соответствует стандартным
отклонениям и не превышает 5-10%.
Твердость газопламенного покрытия составляет
59-64
HRC, толщина 1.5-2 мм. После чистового шлифования отклонение от номинальных
геометрических размеров не более 0.02 мм, что находится в пределах допуска
точности инструмента. Получаемое газопламенное покрытие не склонно к
разупрочнению при температурах воздействия 500-600°С, что позволяет
синтезировать на нем ионно-плазменные покрытия при более высокой температуре
без снижения твердости основы.
Для еще большего повышения износостойкости
после газопламенного восстановления изделия подвергались ионно-плазменной
обработке. Образцы обезжиривали, промывали в ультразвуковой ванне и помещали в
вакуумную камеру серийной установки ННВ-6.6-И1, которую затем откачивали
паромасляным насосом. Перед нанесением покрытий производили очистку в тлеющем
разряде ионами азота в вакууме 5 Па, при отрицательном потенциале подложки 1,5
кВ и электродуговую ионно-плазменную очистку и нагрев ионами хрома при
отрицательном потенциале подложки 700 В, токе дуги 50-70 А до температуры
подложки 500°С. Температуру контролировали пирометром "Смотрич 7" и
поддерживали на заданном уровне контролем высокого напряжения. Покрытие
наносилось с массзарядной сепарацией капельной фазы четверть - торовым
сепаратором с контролем подачи азота при вакууме 2 ∙ 10-1 Па.
Ионно-плазменное покрытие наносилось с чередующимися слоями TiN и TiAlN путем последовательной работы катодов, причем TiN наносится с пониженной концентрацией азота.
В проведенных опытах было нанесено 25 таких слоёв. Верхний слой – TiAlN с микротвёрдостью 3300 HV0.005 и толщиной ~ 0.4 мкм. Общая толщина ионно-плазменного покрытия покрытия
составила ~ 5 мкм
Результаты механических испытаний и металлографических исследований
показали, что многослойное покрытие обладает удовлетворительной адгезией (HF-2), высокой микротвердостью 3058 HV0.005 и хорошей ударной вязкостью.
Результаты
промышленной апробации
Испытания раскатных роликов, упрочненных по
различным технологиям, в действующем производстве ООО «СИНТОН» показали
увеличение износостойкости:
·
в 3 раза при
упрочнении новых раскатных роликов ионно-плазменным методом (с 2 до 6.2 тыс.
обработанных деталей);
·
в 2.5 раза при
восстановлении газопламенным методом (с 2 до 4.9 тыс. обработанных деталей);
·
в 36 раз при
газопламенном восстановлении и ионно-плазменном упрочнении (с 2 до 72.1 тыс.
обработанных деталей).
Следует также отметить, что предлагаемая
технология позволила полностью исключить покупку новых раскатных роликов
благодаря многократному восстановлению изношенных поверхностей, при этом ее
низкая себестоимость позволяет во много раз снизить расходы на приобретение инструмента.
Литература:
1. Бобровский Н.М., Ежелев А.В., Мельников П.А., Бобровский И.Н. Устройство для гиперпроизводительной финишной обработки поверхностей деталей выглаживанием // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 6-1. С. 93-96.
2. Бобровский Н.М., Мельников П.А., Бобровский И.Н., Ежелев А.В. Гиперпроизводительный способ обработки поверхностно-пластическим деформированием // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. С. 67.
4. Гончаров В.С., Васильев Е.В. Упрочнение длинномерных протяжек в ионно-плазменных установках типа ННВ-6.6-И1 // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 6 (102). С. 3-6.
5. Гончаров В.С., Васильев Е.В., Гончаров М.В. Восстановление и упрочнение раскатных роликов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 7 (103). С. 16-19.