Режущий композиционный инструментальный материал на основе связки соединения системы B-N-TI-AL для чистовой обточки железнодорожных деталей

DOI: 10.32743/UniTech.2021.84.3-1.82-87

АННОТАЦИЯ

В данной статье изучены способы получения новых композиционных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti с использованием высокого давления (до 5 ГПа) и температур (до 1800 К), а также исследованы их физические характеристики для создания на их основе инструментальных материалов.

Изучены перспективы дальнейших исследований и практическое использование полученных результатов

ABSTRACT

In this article, methods of obtaining new composite materials based on compounds of the B-N-Al-Ti system using high pressure (up to 5 GPa) and temperatures (up to 1800 K) are studied, as well as their physical characteristics for the creation of instrumental materials based on them.

The prospects for further research and the practical use of the results obtained have been studied.

Ключевые слова: режимы резания, композиционные материалы, система B-N-Al-Ti , формирования, композиционный инструментальный материал, давления, спекания, дробления, порошки, свойства, микроструктура

Keywords: Cutting modes, composite materials, B-N-Al-Ti system, formations, composite tool material, pressure, crushing, powders, properties, microstructure.

В настоящее время наиболее широкое применение получили поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора (КНБ, cBN), которые используются в качестве режущих элементов (неперетачиваемые и напайные пластины, резцы, сверла, фрезы и т.д.). В связи с этим появилась необходимость изучения характера взаимодействия в многокомпонентных металлических системах на основе титана и алюминия [9,8]. Теоретической основой для разработки и совершенствования технологии получения новых сверхтвёрдых сплавов инструментального назначения являются диаграммы состояния этих систем. При этом, материал должен отвечать требованиям современных технологий и производства. Актуальность данной темы обусловлена улучшением свойств на основе соединений системы B-N-Al-Ti, а также влияние на структуру и характеристики конечного продукта [6,7].

Проведены исследование способов получения новых композиционных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti с использованием высокого давления (до 5 ГПа) и температур (до 1800 К), а также их физические характеристики для использования их в качестве инструментального материала.

При воздействии высокого давления 5,5 ГПа и температуры 1750-1800 ºС формируется монокристаллический порошковый сверхтвёрдый материал с заданными характеристиками в зависимости от дальнейшего их использования (режущий, шлифовальный или полировальный инструмент).

Нано- и микро структура кубического нитрида бора используется для создания композиционных материалов инструментального назначения, формированная при термобарическом воздействии.

Синтез проводился при давлении 5ГПа (с учетом термического прироста давления, равного ~0,8ГПа), и температурах 1670-1910 К в твердосплавных камерах высокого давления типа «наковальня с лункой» в контейнерах из литографского камня. При заданных параметрах синтеза, проводили по 5 идентичных опытов.

Таблица 1.

Механические свойства композиционных материалов на основе кубического нитрида бора

Рисунок 1. Полученные образцы синтеза высокого давления (без механической обработки)

Проведем Расчетный анализ режущих свойств резцов на основе соединений системы B-N-Al-Ti.

Процесс резания инструментом из новых композиционных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti при обработке закаленных сталей твердостью до HRC60 изучен экспериментально. Рекомендуемые диапазоны режимных параметров резания в этих условиях составляют: подача резца 0,05 - 0,15 мм/об, глубина резания 0,1 - 0,5 мм, скорость резания 125 - 200 м/мин , работа без смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Шероховатость обработанной поверхности при выборе малых значений подач составляет Ra 0,63 - 0,16.

Рекомендуемые режимы резания для резцов из инструментальных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti варьируются в широких пределах. Например, инструментальная фирма Seco для обработки заготовок из закаленной стали HRC 46 - 65 и инструментального материала CBN10 рекомендует: подачу резца 0,05 - 0,15 мм/об, глубину резания до 0,5 мм , скорость резания в пределах 125 - 200 м/мин.

Фирма Sandvik для обработки заготовок из закаленной стали HRC 60 и инструментального материала CB7015 определяет подачу резца     0,05 - 0,15 - 0,25 мм/об и скорость резания 250 - 190 - 160 м/мин.

Аналогичные рекомендации существуют и у других зарубежных инструментальных фирм. Количественные выражения для расчета режимов резания отсутствуют.

В работах [2,3] рекомендована следующая формула для расчета показателей, характеризующая обработку заготовок из закаленных сталей:

- скорость резания, м/мин

гдепоправочный коэффициент, зависящий от стойкости;

 – справочные данные для стали марки 12ХН3А [9].

Рекомендуемые режимы резания для резцов из инструментальных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti. Из (рис. 2-4) следует, что рекомендуемый режим при глубине резания t=0,1мм, подаче       0,05 - 0,1 - 0,15 мм/об и скорости резания со значениями 285,4 - 248,5 -229,1 м/мин при продолжительности рабочего времени инструмента 90 минут (совпадает с рекомендациями зарубежных фирм). А при глубине резания t=0,5мм, подаче 0,05 - 0,1 - 0,15 мм/об и скорости резания со значениями 224,2 - 195,2 - 180,0 м/мин продолжительности рабочего времени инструмента (стойкость) 90 минут (совпадает с рекомендациями зарубежных фирм). С использованием результатов расчетного анализа проводились экспериментальные исследования режущих свойств резцов на основе соединений системы B-N-Al-Ti .

Рисунок 2. Зависимость стойкости от расчетных значений скорости резания при одинаковой подаче 0,05 мм/об и изменении глубины резания от 0,1 до 0,5 мм

Рисунок 3. Зависимость стойкости от расчетных значений скорости резания при одинаковой подаче 0,1 мм/об и изменении глубины резания от 0,1 до 0,5 мм

Рисунок 4. Зависимость стойкости от расчетных значений скорости резания при одинаковой подаче 0,15 мм/об и изменении глубины резания от 0,1 до 0,5 мм

Экспериментальные исследования режущих свойств резцов на основе соединений системы B-N-Al-Ti проводились на «Ташкентском тепловозоремонтном заводе» и ДП «Ташкентском литейно-механическом заводе». Исследования выполнялись путем замены параметров режима работы режущего инструмента при чистовой обработке деталей.

При выполнении обточки вала Ø 57 мм воздуходувки, изготовленной из стали марки 12ХН3А с твердостью 56 HRC, с параметрами режима работы резца : подача резца 0,05 мм/об, глубина резания 0,1 мм , скорость резания 285 м/мин ,  продолжительность рабочего времени резца составила 88 минут (рис. 5).

Рисунок 5. Обточка вала Ø 57мм из стали марки 12ХН3А при подаче резца 0,05мм/об и скорости резания 285 м/мин.

Наружное продольное точение вала Ø 57мм выполнялось с параметрами режима : подача резца 0,15 мм/об, глубина резания 0,1 мм, скорость резания 229,1 м/мин. Продолжительность рабочего времени резца составила 82 минуты (рис. 6).

 Рисунок 6. Наружное продольное точение вала Ø 57мм из стали марки 12ХН3А при подаче резца 0,15мм/об и скорости резания 229,1 м/мин.

Так же были проведены испытания ударным воздействием на вал   Ø 60 мм воздуходувки с длиной обтачиваемой поверхности 70 мм из стали марки 12ХН3А , с твердостью 56 HRC. Параметры режима обточки вала: подача резца 0,05 - 0,1 - 0,15 мм/об, глубина резания до 0,5 мм, скорость резания 125 - 200 м/мин. Продолжительность рабочего времени резца до полного износа составила 15 - 30 минут (рис. 7). Согласно полученным результатам проведенных испытаний по обработке зубчатых поверхностей рекомендуется следующий режим обточки: подача резца 0,05 мм/об , глубина резания до 0,1 мм, скорость резания 125 м/мин.

Рисунок 7. Обработка ударным воздействием на вал Ø 60 с длиной обтачиваемой зубчатой поверхности 70 мм из стали марки 12ХН3А

На ДП «Ташкентском литейно-механическом заводе» при обточке деталей из стали марки 5ХНМ с твёрдостью > 52 HRC с параметрами режима работы резцов : подачи резцов 0,05 - 0,1 - 0,15 мм/об , глубина резания до 0,5 мм , скорости резания 242,1 - 210,7 - 194,3м/мин.

Рисунок 8. Обточка вала Ø 100 мм из стали марки 5ХНМ

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при соблюдении режимов резания , продолжительность рабочего времени резцов составяет 78 - 88 минут (рис.8).

Полученные результаты исследований показали , что:

- износ резцовой вставки изготовленной из описываемого композита был минимальным.

- подбором специальных связок можно создать большое количество композиций с широким спектром эксплуатационных свойств.

- достигается экономия твердого сплава и рациональное использование поликристаллических сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора.

Выводы

Полученные композиционные соединения являются предпосылкой для создания связки на основе системы Ti-Al под конкретные задачи использования на производстве.

Проведенные механические испытания на различных марках стали показали продолжительность времени работы резцов (стойкость)- 78 - 88 минут.

Проведеный анализ режущих свойств резцов на основе соединений системы B-N-Al-Ti. показал, что режущие свойства инструментов , с использованием в качестве режущих элементов данный композиционный материал изучен недостаточно

Разработаны рекомендации по рациональным условиям и режимам резания инструментов с использованием сверхтвердых композиционных инструментальных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti..

Список литературы:

1. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник / Под ред. А.Н. Резникова - М.: Машиностроение, 1977. - 391 с.
2. Высокопроизводительные инструменты из гексанита-Р / Карюк Г.Г., Бочко А.В., Мойсеенко О.И., Сидоренко В.К. - Киев: Наукова думка, 1985. - 136
3. Капустин А.И., Нуждин Г.А. Получение и свойства сверхтвердых композитов: учеб. пособие. - М.: Машиностороение, 1999. - 96 с.
4. Либенсон Г. А. Процессы порошковой металлургии / Г.А. Либенсон, В.Ю. Лопатин, Г.В. Комарницкий // Формирование и спекание. – М. : МИСИС, 2002. – 503 с.
5. Поварова К.Б. К вопросу о формировании оксидных пленок на поверхности γ-Ti-Al на воздухе и при воздействии кислот / К.Б. Поварова, И.Д. Марчукова, Г.С. Браславская// Металлы. – 1994. – №5. – С. 148–151.
6. Панькин Н.А. Исследование структуры (Ti-Al) композитов, полученных холодным прессованием порошков и твердофазным спеканием / Н.А. Панькин, А.Ф. Сигачев, Ю.С. Носов, М.А. Окин, В.А. Юдин //Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы. – 2015. – №1. – С. 27–31.
7. Панькин Н.А. (Ti-Al) композиционные материалы, полученные прессованием с последующим спеканием на воздухе. Структура и свойства / Н.А. Панькин В.П. Мишкин, М.А. Окин, А.Ф. Сигачев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2015. – №1 (33). – С. 156–167.
8. Fayzibaev Sh.S., Soboleva I.Yu., Zainidinov O.I., Urazbaev T.T., Samborskaya N.A., On the formation of composite compounds of the (Ti-Al) system // "Fundamental and Applied Scientific Research "// Collection of articles based on the materials of the international scientific and practical conference" Izd. SIC. VN, Part-2, April 27. - Ufa, 2019
9. Fayzibaev Sh.S., Soboleva I.Yu., Zainidinov O.I., Urazbaev T.T., Samborskaya N.A., To the question of the formation of composite compounds of the system (Ti-Al) // " Slovak international scientific journal "VOL. 1. No. 29.2019. International Center in Paris - ISSN 5782-5319