Staryy Oskol, Belgorod, Russian Federation
Staryy Oskol, Belgorod, Russian Federation
Staryy Oskol, Belgorod, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Stariy Oskol, Belgorod, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The purpose of this work consists in ensuring the required quality of micro-geometry and mechanical characteristics of a surface layer in rolling mill parts, in particular, surface roughness no more than Ra=2.5mkm and micro-hardness no less than 900 kgs/mm2. To ensure such micro-hardness in samples of 60HN steel there were applied coatings With the method of electrospark alloying with the use as an electrode synthetic hard tool materials based on titanium diboride (STIM-11) and titanium carbide (STIM-40NA) made by the method of self-propagating high-temperature synthesis. EIL-coatings made of thses materials are characterized with the thickness of 30mkm, micro-hardness up to 980 kgs/mm2, that exceeds four times micro-hardness of a non-hardened sample, and with roughness Ra=5…10mkm. To decrease roughness of EIL-coatings made of STIM materials for the first time there was used surface plastic deformation with smoothing that is a novelty of this investigation. Smoothing was carried out on a screw-cutting lathe with the aid of a flattener with TC6 tungsten-cobalt hard alloy indenter (r=6mm) at the rotational frequency n=70rev/min and at the indenter longitudinal feed S=0.05mm/rev and the smoothing force P=500N. As a result of smoothing the micro-hardness of surface layers made 990kgs/mm2, and roughness – Ra=1.6…1.8mkm. Conclusion: smoothing contributes to the decrease of surface layer roughness from 3 times (STIM-40NA) to 5.5 times (STIM-11) at the conservation of their mechanical characteristics that proves the outlook in use of such a technology for finishing parts surfaces strengthened with SVS-electrode materials by STIM method of electrospark alloying.
rollers, electrospark alloying, surface plastic deformation, smoothing, micro-hardness, roughness, SVS-electrode materials
Введение
Детали прокатных сортовых станов (детали привалковой арматуры, различные ролики, валки и др.) являются ответственными деталями, эксплуатационные характеристики которых во многом влияют на производительность труда, на качество и себестоимость выпускаемой продукции. Эти детали работают при высоких температурных и механических нагрузках. Увеличение износостойкости деталей прокатных станов является актуальной научно-технической задачей.
Для упрочнения деталей прокатных станов перспективно использование синтетических твердых инструментальных материалов (СТИМ), разработанных в НИТУ «МИСиС» и изготовленных методом СВС-компактирования (СВС – самораспространяющийся высокотемпературный синтез) [1], что было подтверждено результатами промышленных испытаний на АО «Оскольском электрометаллургическом комбинате», которые показали увеличение стойкости калибров прокатных валков, упрочненных материалами на основе диборида титана СТИМ-11 (TiB2 – NiAl) и на основе карбида титана СТИМ-40НА (TiC – NiAl), более чем в 2 раза [2], а упрочненных материалами СТИМ-11ОКн (TiB2 – NiAl + ZrO2нано) и СТИМ-40НАОКн (TiС – NiAl + ZrO2нано) – в 8 раз [3, 4].
Для осуществления электроискрового легирования (ЭИЛ) производится сближение инструмента (анода) и заготовки (катода), при этом между ними увеличивается напряженность электрического тока и возникает импульсный искровой разряд, в результате которого сфокусированный поток электронов от катода устремляется к аноду. Выделившаяся в поверхностных слоях анода энергия движения остановленных электронов броском освобождается системой, что приводит к локальному расплавлению и частичному испарению материала инструмента. Расплавленные частицы анода, достигнув поверхности катода, привариваются и частично внедряются в нее. Далее происходит механический удар анода, способствующий увеличению однородности и плотности покрытия.
С поверхности катода тоже происходит выброс металла и образуется эрозионная лунка с выступающим над поверхностью заготовки бортиком, образованным в результате вытеснения из расплавленной зоны металла (рис. 1). Поверхностный слой катода, после легирования, преимущественно состоит из материала анода, так как количество жидкой фазы на аноде значительно больше, чем на катоде. Но гидродинамическое перемешивание способствует тому, что в этом слое в ряде случаев в достаточно большом количестве (20-30 %) распределяется и материал катода [5, 6].
Рис. 1. Внешний вид лунки, образованной на заготовке в результате единичного
искрового электрического разряда
Технология ЭИЛ позволяет получать покрытия с высокой адгезией. Метод характеризуется низкой энергоемкостью, простотой реализации и оборудования. К недостаткам можно отнести низкую производительность процесса и ограниченность толщины полученных покрытий.
При повышенных требованиях к микрогеометрии поверхностей деталей прокатных станов, шероховатость поверхностей деталей, упрочненных методом ЭИЛ, является в ряде случаев недостаточной. В этой связи задача снижения шероховатости поверхности сформированных покрытий является актуальной.
На величину шероховатости ЭИЛ-покрытий влияют частотно-энергетические параметры и время обработки, состав электродных материалов, а также кинематика движения рабочего инструмента.
Для снижения шероховатости ЭИЛ-покрытий применяют шлифование, полирование, притирку, поверхностное пластическое деформирование (ППД) (выглаживание [7], безабразивная ультразвуковая финишная обработка [8]), лазерная обработка.
Большинство методов механической обработки не применимы для снижения шероховатости ЭИЛ-покрытий, так как их толщины 0,01-0,05 мм меньше или сопоставимы с минимальным технологическим припуском на механическую обработку. Для уменьшения шероховатости упрочненных поверхностей было решено применить один из видов ППД-выглаживание с помощью твердосплавного индентора. Данный способ ранее использовали для снижения шероховатости ЭИЛ-покрытий на титане [9, 10].
При выглаживании в месте контакта индентора с обрабатываемой поверхностью возникают значительные контактные напряжения. При достаточном усилии выглаживание приводит к пластической деформации поверхностного слоя, способствующей сминанию микронеровностей и изменению его физико-механических свойств. На выглаженной поверхности возникают значительные остаточные напряжения сжатия, благодаря которым повышаются ее износостойкость и усталостная прочность [10].
В данной работе производилось выглаживание электроискровых покрытий, сформированных синтетическими твердыми инструментальными материалами на стали 60ХН, с целью определения перспектив применения ППД для снижения шероховатости поверхности таких покрытий. Для этого изучались микрорельеф и свойства покрытий до и после ППД.
Методика исследований
В качестве электродов (анода) для электроискровой обработки применяли СВС-электродные материалы на основе диборида титана СТИМ-11 и на основе карбида титана СТИМ-40НА (табл. 1).
Таблица 1
Применяемые электродные материалы
|
Марка материала (ТУ 24.45.30-027-11301236-2019) |
Состав шихты, % (масс.) |
||||
|
Ti |
B |
С |
Ni |
Al |
|
|
СТИМ-11 (TiB2-NiAl) |
41,4 |
18,6 |
– |
27,4 |
12,6 |
|
СТИМ-40НА (TiС-NiAl) |
48,0 |
– |
12,0 |
27,4 |
12,6 |
В качестве катода применяли образцы диаметром 50 мм и длиной 250 мм из стали 60ХН в состоянии поставки.
Для нанесения электроискровых покрытий использовалась установка для электроискрового легирования ALIER-METALG53. Покрытия формировались на частотно-энергетическом режиме обработки, характеризующемся энергией единичных импульсных разрядов 0,175 Дж. Скорость нанесения ЭИЛ-покрытий составляла 3 мин/см2.
Поверхностное пластическое деформирование (выглаживание) проводилось на токарно-винторезном станке JETGHB-1340ADRO выглаживателем с индентором (r = 6 мм) из вольфрамокобальтового твердого сплава ВК6 на следующих технологических режимах: частота вращения заготовки n= 70 об/мин, продольная подача индентора S = 0,05 мм/об, сила выглаживания, направленная по нормали к обрабатываемой поверхности, составляла P = 500 Н. Значение силы выглаживания было определено на основе предыдущих исследований. Сила выглаживания регулировалась по диаграмме нагружения пружины, путем перемещения поперечного суппорта с резцедержателем, в котором был установлен выглаживатель, пружина деформировалась на величину, необходимую для получения требуемой силы выглаживания. Для снижения коэффициента трения в зоне контакта индентора с обрабатываемой поверхностью использовалось масло индустриальное И20.
Общий вид процесса выглаживания представлен на рис. 2.
С целью определения и оценки влияния температур, возникающих в зоне выглаживания, проводилась съемка тепловизором SDS HotFind-DXT.
Металлографический анализ шлифов с ЭИЛ-покрытиями выполнялся на металлографическом микроскопе 4ХС. Определение толщины и сплошности покрытий проводился при увеличении 400х.
Шероховатость покрытий измерялась профилометром TR 200 на базовой длине 2,5 мм (длина оценки 5lб = 12,5 мм) и оценивалась по параметру Ra (среднеарифметическое отклонение профиля).
Исследования микротвердости образцов с электроискровыми покрытиями до и после выглаживания проводились на микротвердомере МЕТОЛАБ 502 при нагрузке 0,1 кгс по ГОСТ Р ИСО 6507-1.
Рис. 2. Общий вид процесса выглаживания
образца с ЭИЛ-покрытиями
Обсуждение результатов исследований
На рис. 3 приведена структура электроискрового покрытия (шлиф), сформированного при применении СВС-электрода СТИМ-11. В результате ЭИЛ-обработки на поверхности образца из стали 60ХН сформировался поверхностный слой со 100%-ной сплошностью толщиной ~30 мкм.
Рис. 3. Структура образца из стали 60ХН с ЭИЛ-покрытием
до выглаживания (увеличение х400
Тепловизионная съемка показала, что температура в зоне выглаживания электроискрового покрытия твердосплавным индентором находится в диапазоне 36…42 °С (рис. 4) и не может приводить к фазовым превращениям в поверхностном слое обрабатываемого материала.
В табл. 2 представлены результаты измерения шероховатости поверхностного слоя и его микротвердости до и после ППД выглаживанием.
Рис. 4. Результаты измерения температур в зоне выглаживания
Таблица 2
Свойства электроискровых покрытий. Подложка сталь 60ХН
|
Электродный материал |
Состояние поверхности |
Сплошность, % |
Толщина, мкм |
Ra, мкм |
Микротвердость* HV 0,1, кгс/мм2 |
|
СТИМ-11 |
до выглаживания |
до 100 |
≈30 |
9,18 |
978,2 |
|
после выглаживания |
до 100 |
≈30 |
1,67 |
998,3 |
|
|
СТИМ-40НА |
до выглаживания |
до 100 |
≈30 |
5,42 |
963,5 |
|
после выглаживания |
до 100 |
≈30 |
1,81 |
990,5 |
|
|
* – микротвердость образца из стали 60ХН – 270 кгс/мм2 |
|||||
Выявлено, что шероховатость поверхности сформированных на стали 60ХН покрытий не превышает Ra = 9,18 мкм. Покрытия на основе карбида титана характеризуются меньшей шероховатостью по сравнению с покрытием на основе диборида титана.
Применение ППД выглаживанием способствует снижению шероховатости поверхностного слоя более чем в 3 раза. После проведения ППД минимальной шероховатостью поверхности характеризуется покрытие из СТИМ-11 (Ra = 1,67 мкм).
Профилограммы поверхностного слоя, полученные при измерении шероховатости поверхности ЭИЛ-покрытий СВС-сплавами СТИМ-11 и СТИМ-40НА до и после выглаживания, приведены на рис. 5 и 6.
Стоит также отметить, что диаметр заготовки после ЭИЛ составил 50,06 мм, а после ППД – уменьшился на 0,06 мм, то есть диаметральный размер вернулся к изначальному значению 50 мм.
Сформированные в результате ЭИЛ-обработки покрытия характеризуются микротвердостью до 980 кгс/мм2 (табл. 2), что в 4 раза превышает микротвердость образца из стали 60ХН. На рис. 7 показано изменение величины микротвердости в поперечном слое образца. Под ЭИЛ-покрытием наблюдается зона упрочнения, где значения микротвердости в 2 раза превышают значения микротвердости основного материала.
После выглаживания микротвердость покрытий увеличилась и составила 998,3 кгс/мм2 для покрытия из электродного материала СТИМ-11 и 990,5 кгс/мм2 для покрытия из СТИМ-40НА.
а)
б)
Рис. 5. Профилограмма поверхностного слоя. Электродный материал СТИМ-11:
а – до выглаживания; б – после выглаживания
а)
б)
Рис. 6. Профилограмма поверхностного слоя. Электродный материал СТИМ-40НА:
а – до выглаживания; б – после выглаживания
а) б)
Рис. 7. Изучение микротвердости в различных зонах образца.
Электродный материал СТИМ-11:
а – до выглаживания; б – после выглаживания
При выглаживании индентор взаимодействует как с непосредственно твердосплавными составляющими покрытия, так и с участками «смешанного состава», образованными за счет гидродинамического перемешивания материалов анода и катода [5]. В итоге деформирующих усилий для выглаживания твердого сплава недостаточно, его отдельные вершины отламываются, а места смешанных зон хорошо поддаются деформации и вдавливаются в более мягкую подложку (рис. 8, 9).
а) б) в)
Рис. 8. Структура поверхности образцов. Электродный материал СТИМ-40НА (увеличение х100):
а – образец без покрытия; б – образец с ЭИЛ-покрытием;
в – образец с ЭИЛ-покрытием после выглаживания
а) б)
Рис. 9. Структура ЭИЛ-покрытия.
Электродный материал СТИМ-11 (увеличение х400):
а – до выглаживания; б – после выглаживания
Заключение
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Установлено, что сформированные СВС-электродными материалами СТИМ-11 и СТИМ-40НА на образцах из стали 60ХН покрытия характеризуются толщиной до 30 мкм, микротвердостью 978,2 кгс/мм2 и 963,5 кгс/мм2, шероховатостью (параметр Ra) 9,18 мкм и 5,42 мкм, соответственно.
2. Выявлено, что применение ППД способствует снижению шероховатости поверхностных слоев от 3 раз (СТИМ-40НА) до 5,5 раз (СТИМ-11). Максимальное уменьшение шероховатости установлено у диборидных покрытий.
3. В результате ППД микротвердость поверхностных слоев увеличивается соответственно до 998,3 кгс/мм2 для покрытия на основе диборида титана и до 990,5 кгс/мм2 для покрытия на основе карбида титана.
4. Показана перспективность применения ППД выглаживанием для снижения шероховатости упрочненных СВС-электродными материалами поверхностей деталей металлургического оборудования (прокатные валки, ролики МНЛЗ, ролики рольгангов и привалковой арматуры).
1. Levashov E.A., Rogachev A.S., Kurbatkina V.V. [i dr.]. Perspektivnye materialy i tehnologii samorasprostranyayuschegosya vysokotemperaturnogo sinteza. M.: Izd. dom MISiS, 2011. 377 s.
2. Kudryashov A.E., Doronin O.N., Zamulaeva E.I. [i dr.]. Perspektivy primeneniya elektrodnyh SVS-materialov i tehnologii elektroiskrovogo legirovaniya dlya uprochneniya prokatnyh valkov // Chernye metally. 2013. № 10. S. 61-68.
3. Kudryashov A.E., Levashov E.A., Repnikov N.I., Makarov A.V. Perspektivy primeneniya tehnologii elektroiskrovogo legirovaniya i SVS-elektrodnyh materialov dlya povysheniya stoykosti prokatnyh valkov // Nanotehnologii: nauka i proizvodstvo. 2018. № 2. S. 63-66.
4. Kudryashov A.E., Zamulaeva E.I., Levashov E.A., F.V Application of electrospark deposition and modified shs electrode materials to improve the endurance of hot mill rolls. Part 2. Structure and properties of the formed coatings / A.E. Kudryashov, E.I. Zamulaeva, E.A. Levashov, Kiryukhantsev-Korneev F.V., Sheveiko A.N., Shvyndina N.V. // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2019. T.55. № 5. S. 502-513.
5. Gitlevich A.E., Mihaylov V.V., Parkanskiy N.Ya., Revuckiy V.M. Elektroiskrovoe legirovanie metallicheskih poverhnostey. Kishinev: Shtiinca, 1985. 196 s.
6. Pyachin S.A., Zavodinskiy V.G., Pugachevskiy M.A. Perenos metallov s anoda na katod pri elektroiskrovom vozdeystvii // Uprochnyayuschie tehnologii i pokrytiya. 2007. № 11 (35). S. 7-13.
7. Makarov A.V., Kudryashov A.E., Titova A.P., Vladimirov A.A. Perspektivy obrabotki vyglazhivaniem kalibrov prokatnyh valkov, uprochnennyh tverdosplavnymi SVS-elektrodnymi materialami // Materialy XVI Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii. Staryy Oskol: STI NITU«MISiS», 2019. S. 263-272.
8. Himuhin S.N., Eremina K.P., Ri H. [i dr.]. Poverhnostnoe plasticheskoe deformirovanie elektroiskrovyh pokrytiy // Uchenye zapiski Komsomol'skogo-na-Amure gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2016. T.1. № 2 (26). S. 76-81.
9. Gadalov V.N., Alehin Yu.G., Skpipkina Yu.V. [i dr.]. Elektroiskrovye pokrytiya, podvergnutye vyglazhivaniyu mineralokeramikoy // Tehnologiya mashinostroeniya. 2008. № 11. S. 19-23.
10. Gadalov V.N., Romanenko D.N., Samoylov V.V. Metodika ocenki sherohovatosti poverhnosti elektroiskrovogo pokrytiya posle vyglazhivaniya mineralokeramikoy // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Poroshkovaya metallurgiya i funkcional'nye pokrytiya. 2010. № 4. S. 44-46.
