суббота, 14 ноября 2015 г.

Тенденции развития режущего инструмента

     Современный режущий инструмент по используемым при производстве материалам можно разделить на 4 основных группы. Это инструмент из быстрорежущей стали, твердосплавный инструмент, режущая керамика и сверхтвердые поликристаллические синтетические материалы.
     При этом эксплуатационные свойства материалов всех этих групп полностью зависят от качественного и количественного химического состава инструмента. Ранее, в статье «Твердые порошковые сплавы с точки зрения металловедения», мы писали о зависимости свойств сплавов от химсостава, структуры, формы и дисперсности фаз. Эти закономерности актуальны для всех инструментальных материалов без исключения. На схеме показано распределение инструментальных материалов по их эксплуатационным свойствам: твердости, износостойкости, теплостойкости, ударной вязкости, склонности к трещинообразованию. Также по этой схеме с большой долей вероятности можно определить основное направление развития режущего инструмента.
Здесь можно выделить 3 основных вектора развития:
  1. Разработка новых материалов с одновременно высокими комплексом свойств «прочность — пластичность»
Как известно, характеристики пластичности (прочность при изгибе, ударная вязкость) находятся в обратной зависимости от характеристик прочности. Т.е чем больше предел прочности, твердость (соответственно износостойкость), тем меньше ударная вязкость и пластичность. На сегодняшний день производители инструмента не нашли идеального химического состава, который бы имел твердость кубического нитрида бора (КНБ), пластичность быстрорезов Р6М5 и дешевизну углеродистой стали У10. Поэтому в современном производстве и используется большое число инструментальных материалов «заточенных» под определенные условия работы.
  1. Оптимизация производства существующего инструмента

Это направление основывается на увеличении степени воспроизводимости процессов и качества инструмента, а также на ужесточении нормативной документации на химический состав, свойства и структуру материалов. В качестве примера можно привести всё ту же сталь Р6М5. По ГОСТ 19265 она имеет следующий химсостав основных легирующих элементов:
Углерод (С) = 0,82…0,9%
Вольфрам (W) = 5,5…6,5%
Молибден (Мо) = 4,8…5,3
Т.е по этому стандарту, в пределах одной марки материала, возможных вариаций химического состава инструмента может быть огромное количество. Это влияет на количественный состав карбидной фазы WC, ее дисперсность и форму. Даже если основные показатели качества (твердость HRC или HV) будут в пределах требований КД, то микроструктура при разном химсоставе может отличаться. В результате может изменяться теплостойкость, скорость изнашивания, склонность к образованию и развитию трещины и т. д. Такая анизотропия свойств не критична, т. к. имеет мизерные отклонения от усредненных значений требуемых свойств, но всё же необходимо стремиться находить один оптимальный химический состав инструментального материала и ужесточать требования нормативной документации под эти значения. Это позволит снизить дисперсию показателей качества в пределах одной марки материала и производить инструмент с отклонениями ±0,5 HRC по механическим свойствам и ±0,1 нм по размеру структурных составляющих. В большей степени, ужесточение требований по свойствам, форме и размеру структуры положительно скажется на стойкости твердых сплавов, т. к. эти факторы являются лимитирующими при формировании их механических и эксплуатационных свойств.
  1. Разработка новых химических и физико-химических покрытий

Как правило, режущий инструмент редко эксплуатируется без покрытия, которое существенно снижает температурную нагрузку, вероятность «схватывания» с обрабатываемым материалом, увеличивает износостойкость и поверхностную твердость. На сегодняшний день, в качестве таких покрытий, широко используются газовое и плазменное азотирование, физико-химические PVD и CVD способы нанесения нитридов и карбонитридов титана, алюминия и др.
PVD-покрытия (Physical vapour deposition, в пер. с англ. «физическое осаждение из газовой фазы»)
CVD-покрытия (Сhemical vapour deposition, в пер. с англ. «химическое осаждение из газовой фазы»)  
Разработка новых способов покрытия инструмента, так же как и разработка новых инструментальных материалов, требует больших капиталовложений. Большую роль здесь играю коммерческие компании, которые серьезно занимаются продажами инструмента по всему миру. Движущей силой исследований и новых научных разработок является высокая конкуренция на мировом рынке и желание сделать изделие с более низкой себестоимостью и более высоким комплексом тех самых свойств «прочность — пластичность». Поэтому постоянно появляются новые инструментальные сплавы, новые конструкции инструмента и новые технологии поверхностного химико-термического упрочнения. Нам же остается только пожелать производителям творческого и научного успеха и ждать их новых инновационных разработок.

Сверхтвердые инструментальные материалы

     Сверхтвёрдыми инструментальными считаются такие материалы, у которых твердость (по HV) превышает 35 ГПа при комнатной температуре.
     Наиболее твёрдый материал на нашей планете − природный алмаз. Но он, для использования в режущих инструментах, имеет ряд значительных недостатков. Теплостойкость инструмента из этого монокристалла сравнительно невелика и достигает лишь 700-750 С, ударная вязкость недостаточна. Более того, в процессе работы режущие кромки природного алмаза быстро выкрашиваются, не говоря уже о его высокой цене и дефицитности. Всё вышеперечисленное сужает использование этого минерала в качестве элемента режущего инструмента.
     Необходимость промышленности в легкодоступных и дешёвых сверхтвёрдых материалах заставила учёных-химиков заняться поисками подходящей альтернативы. И в 1959 г. в бывшем Советском Союзе (двумя годами ранее − в Соединённых Штатах) частицы графита, имеющие гексагональную (шестигранную) форму, синтезом в среде высокой температуры и давления, с применением катализаторов, удалось преобразовать в небольшие сверхтвёрдые кристаллики кубической формы искусственного алмаза с размерами до двух миллиметров. А в 70-х г. для выпуска лезвий к инструментам были изготовлены кристаллики круглой формы искусственных алмазов покрупнее.
     У синтетических алмазов достаточно высокий модуль упругости (Е = 700−800 ГПа), большой предел механопрочности на сжимающих нагрузках (σ–В ≈ 7−8ГПа). Тем не менее, у них сравнительно невысокий предел механопрочности при изгибе (σИ ≈ 0,8−1,1ГПа).
     С помощью подобной технологии из бора и азота учёные получили модификацию нитрида бора, схожую по свойствам и структуре с синтетическим алмазом. Решётку кристаллов можно представить как определённый набор микрокубиков. Её прочность (твёрдость) несколько ниже, чем у алмазной естественной решётки, но всё же достигает 40−45 ГПа. У традиционных режущих твёрдых сплавов и керамики она ниже в два раза. Эта модификация получила название: «поликристаллический кубический нитрид бора» (ПКНБ). Есть ещё названия: «кубанит», «эльбор», «боразон».

У ПКНБ достаточно высокие упругие характеристики (Е = 700−800 ГПа). Механопредел прочности на сжатие почти аналогичен твёрдым сплавам (σ-В ≈ 2,5−5 ГПа), но на изгиб он также низок по сравнению с традиционными сверхтвёрдыми сплавами и искуственными алмазами (σИ ≈ 0,6−0,8 ГПа).
     ПКНБ опережает другие поликристаллические и естественные алмазы по теплостойкости. Её предел: почти 1000–1100 С. Из-за этого показателя и своего искусственного происхождения (меньшее химическое родство с углеродом), ПКНБ проявляет себя на практике значительно эффективнее во время чистовой обработки сталей резанием. Ему посильно и резание закалённых и цементованных сталей с незначительными сечениями срезаемых слоёв.
     На производстве применяется две разновидности технологий изготовления: фазовое химическое изменение состояния вещества − синтез, а также агломерация (спекание) ранее полученного порошка поликристаллических сверхтвердых материалов. В России синтезируются боро-азотовые марки: «Эльбор РМ» (композит 01), «Бельбор» (композит 02) и искусственные алмазы марок: «Баллас» (АСЕ), «Карбонадо» (АСПК).

Разновидности поликристаллов из нитрида бора:

  • кристаллы, полученные через синтез ГНБ (композит 01);
  • кристаллы, образующиеся непосредственным переходом ГНБ в КНБ модификацию (композит 02);
  • кристаллы, получаемые путём преобразования ГНБ модификации (вюрцитоподобной) в КНБ модификацию - ВМдф (композиты 09 и 10);
  • кристаллы, получаемые агломерированием с каталитическими добавками (киборит, композит 05-ИТ и пр.).

     Эти поликристаллы немного уступают природному алмазу по степени твёрдости, но обладают высокой термостойкостью, а также некритичны к циклически высоким температурам и почти не взаимодействуют с железом − составной частью подавляющего большинства материалов для обработки резанием.

Поликристаллы, получаемые из синтетических алмазов:

  • агломерированные кристаллы − карбонит, мегадаймонд;
  • кристаллы алмаза СВ, разнородного композита, скреплённого связками (вторая фаза)-прослойками между кристаллами алмаза;
  • искусственные карбонады АСПК, получаемые воздействием на исходное вещество высоким давлением и температурой с использованием избытка катализатора;
  • кристаллы, получаемые путём пропитывания алмазного порошка связующим компонентом из металла в среде высокой температуры и давления. Связующими звеньями могут быть Fe, Ni, Cr, Co.

Преимущества и недостатки вакуумных печей для термической обработки

     Скорее всего, на сегодняшний день, мало кого можно удивить высокотехнологичным оборудованием для термообработки — вакуумными печами. Тем более, что технологии вакуумной термической и химико-термической обработки до блеска «отполированы» во многих статьях, книгах и журналах. Тем не менее состав вакуумных линий и печей, при всей своей гибкости и уникальности использования, остается достаточно сложным, вызывает трудности при эксплуатации и имеет ряд недостатков. В данной статье мы кратко постараемся обрисовать все эти преимущества и недостатки устроиства и использования вакуумных печей для термической обработки металлических изделий. Для тех, кто никогда не встречался с вакуумным термическим оборудованием, советуем почитать следующие материалы на нашем сайте:

     Статьи от ведущего немецкого производителя термического оборудования, компании 
WMU GmbH:


Кстати, в последней статье можно посмотреть фотографии вакуумных печей различного исполнения: с горизонтальной ретортной камерой, печи двухэтажного исполнения, вакуумные печи шахтного типа и даже печи элеваторного типа.

     У нас есть еще одна статья, в которой рассказывается о традиционных технологиях вакуумной термической обработки - Технология вакуумной термообработки

     Итак, сначала кратко опишем преимущества использования вакуумного оборудования, т. к. на эту тему много всего понаписано и останавливаться здесь особо не хочется:

  1. Практически нулевое окисление и отсутствие обезуглероживания обрабатываемых изделий
  2. Минимальные коробления при закалке (как в масле, так и в газе)
  3. Высокая гибкость и встраивоемость оборудования в технологические цепочки как штучного, так и крупносерийного производства
  4. Снижение времени термической и химико-термической обработки
  5. Быстрая смена режима обработки
  6. Холодные стенки печей
  7. Снижение энергетических затрат за счет работы оборудования с кнопки
  8. Некоторые установки позволяют имитировать процессы нормализации и отжига стали
  9. Легость ремонта и доступность обслуживания печей
  10. Самая высокая степень автоматизации среди печного нагревательного оборудования

     Мы перечислили основные преимущества использования вакуумных печей, которые возможно, в большинстве случаев, будут иметь большее значение по сравнению с нижеперечисленными недостатками.

     Основной недостаток вакуумного оборудования — его высокая стоимость. На это значение в большей мере влияет стоимость материалов, используемых при производстве печей. Очень часто при изготовлении рабочих камер, нагревательных элементов и разных вставок используются дорогостоящие вольфрам и молибден. Частично проблему высокой стоимости удается решить при помощи замены дорогих сплавов более дешевыми материалами из углерода и кремния.
     Еще, по сравнению с атмосферными печами, вакуумное оборудование имеет много периферийных устройств: вакуумные насосы, систему водоохлаждения корпуса и двигателей, сосуды высокого давления для промежуточного хранения газа-заполнителя и закалочного газа, сосуды для хранения сред для химико-термической обработки и др. Все это также вносит ощутимый вклад в структуру стоимости оборудования.
     Если говорить о вспомогательном оборудовании, то стоит отметить, что в большинстве случаев при закалке газом используется азот, который нужно откуда-то брать. Из воздуха он может взяться только в случае его (воздуха) переработки. Но возможные и другие варианты:

  1. Покупать сжиженый азот и при помощи испарения получать технологический газообразный азот

  2. Покупать газообразный готовый азот в балонах

     Наилучший, более экономичный вариант газоснабжения зависит от фактического фонда времени работы оборудования. Нужно только добавить, что при вакуумной термообработке необходимо использовать азот с чистотой минимум 99,99%, а это дополнительное оборудование для очистки и соответственно дополнительные капитальные затраты.

     Возможно, что все перечисленные технико-экономические затраты окупятся качеством термообработки и снижением энергетических затрат (в сравнении с атмосферными печами непрерывного действия). Но в вопросах финансовой целесообразности использования вакуумных печей может помочь только глубокий экономический анализ для конкретного объекта производства.

     Также возможно проявление некоторых технологических издержек вакуумной термообработки с применением азота. В зарубежных журналах по металловедению, иногда публикуются статьи, в которых авторы пишут, что азот при конвекционном нагреве (до 600 градусов) и при закалке может взаимодействовать с легирующими элементами сталей. В большей степени это касается сталей с высоким содержанием хрома: ШХ15, 0Х18Н10Т, 40Х13 и т. д. В этом случае на поверхности деталей может образоваться хрупкая нитридная составляющая, которая может отслоиться от основного металла.

     Еще из существенных недостатков термообработки в вакууме можно отметить тот факт, что вакуумные печи никогда не оснащаются водяным закалочным баком. Как утверждают производители печей, вакуум очень боится влаги и грязи. Именно поэтому, перед вакуумной термообработкой детали рекомендуется подвергать мойке, сушке при температурах более 100°С, иногда предварительному обжигу при 250-350ºС. Отсутствие водяного закалочного бака делает невозможным закалку низкоуглеродистых низколегированных сталей. Данную проблему возможно решить при использовании независимой системы загрузки, перемещения и выгрузки деталей.
     
     Ну вот, пожалуй мы назвали все преимущества и основные сложности при использовании вакуумных печей для термической обработки. В любом случае, это направление термообработки активно развивается и не за горами тот день когда все недостатки будут преодалены и вакуумные печи будут более доступны и будут более широко использоваться в металлообрабатывающей промышленности.

пятница, 13 ноября 2015 г.

Про торт Наполеон и цементацию стали

     Источник: http://heattreatment.ru

     В отечественной и зарубежной литературе много понаписано про цементацию, её виды, получаемые структуры и свойства. А уж браку при цементации, посвящены целые главы. И в принципе всего этого материала достаточно для назначения режима химико-термической обработки и анализа причин отклонений фактических свойств от требований конструкторской документации.
     Одним из основных видов брака при цементации, является заниженная толщина слоя. И кажется, что это можно легко исправить повторным науглероживанием поверхности с повторной закалкой. Конечно можно. Но стоит несколько раз подумать о процессах, которые будут происходить при повторной ХТО.
     При правильно проведенном технологическом процессе цементации, формируется слой, с плавным снижением концентрации углерода от поверхности к центру детали. От заэвтектоидной структуры, через границу 0,8%С, к доэвтектоидной и исходной структуре стали.
     При повторном науглероживании поверхности, температура активирует диффузионные процессы углерода слоя, полученного при первой цементации. Слой начнёт растягиваться к сердцевине детали. Это будет сопровождаться снижением концентрации углерода в цементованном слое. Одновременно с этим процессом будет идти адсорбция углерода на поверхности и его диффузия вглубь детали.
     Все как бы хорошо. Сделали повторную цементацию, получили требуемый слой и твердость. И, как правило, эти характеристики цементации будут находиться у верхних значений требований КД. Но если посмотреть на разрез слоя под микроскопом, то можно увидеть микроструктуру похожую на слоёный торт "Наполеон": растянутый первый цементационный слой с резким переходом к слою вторичной цементации. Это и есть результат диффузионных процессов при повторном науглероживании.
     Полученная микроструктура не является закономерностью для всех сталей. Нужно учитывать содержание углерода, легирующих элементов и конкретные технологические условия проведения первой и второй цементации: температуру, время выдержки, характеристики насыщающей среды. Также, такая структура не является браком абсолютно для всех изделий. Например для шестерен автомобильной промышленности (шестерни коробки переключения передач или ведущих мостов), которые работают на трение и немного на изгиб, такая структура не критична. Фактически может снизиться только ресурс работы детали или узла. Что же касается изделий, испытывающих вместе с износом поверхности высокие изгибающие нагрузки, например высоконагруженные изделия из стали 20Х2Н4ВА, то здесь стоит подумать и принять решение, что дешевле: изготовление новой детали или выход из строя какого-нибудь привода энергетической станции.
     Еще одно уточнение. Нужно понимать, что все указанные процессы при вторичном науглероживании, происходят в небольших объемах металла (0,3...2,5 мм слоя) относительно размеров изделий. Т.е. резкие переходы концентрации углерода, а соответственно и твердости будут находиться очень близко к поверхности.
     Это была ознакомительная литературная зарисовка из собственной производственной практики. На металлообрабатывающих предприятиях, решение о технологии исправления того или иного брака химико-термической обработки должны принимать главные специалисты по направлениям.