Лазерный мир

Барабонова, Инна Александровна // disserCat — электронная библиотека диссертаций

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Повышение работоспособности быстрорежущих сталей и разработка новых ресурсосберегающих технологий изготовления инструмента относится к числу актуальных и практически важных проблем, изучению которых уделяется большое внимание во всех промышленно развитых странах. Решение возникающих при этом задач возможно за счет совершенствования структурного состояния быстрорежущих сталей — достижения двухфазной структуры закаленной стали, растворения карбидов, увеличения концентрации углерода и легирующих компонентов в твердом растворе, упрочнения мартенсита высокодисперсными карбидами при термической обработке.

Одним из способов экономного использования быстрорежущих сталей является изготовление биметаллического инструмента с применением наплавки. Однако широкое применение наплавки при производстве инструмента сдерживается высокой трудоемкостью механической обработки наплавленного металла с твердостью 62 … 65 НЯС. Припуски на механическую обработку при изготовлении инструмента можно удалять с помощью газолазерной резки, которая сочетает высокие показатели производительности процесса с точностью и высоким качеством реза. При газолазерной резке образуется зона термического влияния, в которой происходит высокоскоростная закалка поверхностных слоев. В зоне оплавления и зоне закалки из твердой фазы возможно пересыщение аустенита углеродом и легирующими компонентами за счет полного или частичного растворения карбидов. В результате в структуре может содержаться повышенное (до 80 %) количество остаточного аустенита. В переходной зоне, где нагрев ниже точки Ас1, в предварительно закаленной и отпущенной стали происходит снижение микротвердости и разупрочнение мартенсита, связанное с образованием структур отпуска.

Снижение содержания остаточного аустенита при высокотемпературном отпуске приводит к дальнейшему разупрочнению переходной зоны. Кроме того, высокотемпературный отпуск приводит к уменьшению концентрации углерода и

легирующих компонентов в мартенсите, что вызывает его разупрочнение. В представленной работе выполнены исследования по повышению работоспособности наплавленной быстрорежущей стали после газолазерной резки за счет совершенствования структурного и фазового состояния, повышения концентрации легирующих компонентов в твердом растворе, снижения количества остаточного аустенита в зоне закалки и минимизации процессов разупрочнения переходной зоны.

Эффективным способом превращения остаточного аустенита в мартенсит при сохранении легирующих компонентов в твердом растворе является криогенная обработка. Этот вид обработки представляет собой продолжение процессов закалки за счет возобновления мартенситного превращения остаточного аустенита при охлаждении стали ниже температур Мк.

Высокую теплостойкость быстрорежущие стали приобретают за счет дисперсионного твердения при многократном отпуске при температуре 560 °С. Проведение отпуска на вторичную твердость без разупрочнения переходной зоны может быть осуществлено с помощью лазерного отпуска. Лазерное излучение является энергетическим инструментом, способным обеспечить стабильные предсказуемые энергетические параметры для термической обработки материалов. При лазерном упрочнении необходимо обеспечить равномерный подвод тепла в зону обработки для получения упрочнённого поверхностного слоя требуемой глубины с однородной структурой и микротвердостью. В работе для этой цели предлагается использовать многоканальный (40 лучей) СО2 лазер.

Таким образом, тема диссертационной работы — повышение работоспособности быстрорежущей стали методами лазерной и криогенной обработки является актуальной как в научном, так и в практическом отношении.

Основанием для выполнения работы являлось выполнение ГК № Ю027р /16821 «Разработка способа изготовления разделительного штампа с применением высокоскоростной кристаллизации при лазерной обработке» по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.») Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической

сфере» (2010-2011 гг.); соглашения № 14.В37.21.1278 «Структурно-фазовые превращения в инструментальных сплавах и функциональных материалах при лазерной обработке поверхности» и соглашения № 14.132.21.1394 «Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ градиентно-упрочненной инструментальной стали» по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (2011-2013 гг.).

Цель работы. Теоретически и экспериментально обосновать повышение работоспособности быстрорежущей стали за счет совершенствования структурного состояния методами лазерной и криогенной обработки. Основные задачи работы

1. Выполнить анализ литературных источников в области повышения работоспособности быстрорежущей стали за счет совершенствования структурного состояния методами лазерной и криогенной обработки.

2. Рассчитать изменение температуры в зоне термического влияния при газолазерной резке и выяснить роль технологических условий резки на формирование зоны термического влияния в быстрорежущих сталях. Исследовать микроструктуру, фазовый состав, распределение микротвердости в зоне термического влияния быстрорежущих сталей после газолазерной резки и криогенной обработки.

3. Исследовать влияние режимов лазерного отпуска на упрочнение мартенсита закаленной стали при исключении разупрочнения стали в переходной зоне.

4. Научно обосновать новую технологию упрочнения наплавленных быстрорежущей сталью режущих кромок разделительных штампов координатно-револьверных прессов с применением газолазерной резки как разделительной и упрочняющей обработки, криогенной обработки и лазерного отпуска. Изготовить опытно-промышленную партию пуансонов и матриц разделительных штампов координатно-револьверных прессов и провести производственные испытания. Научная новизна и положения, выносимые на защиту

1. Теоретически обоснован метод совершенствования структурного состояния быстрорежущих сталей после газолазерной резки, основанный на криогенной

обработке и лазерном отпуске, обеспечивающий повышение работоспособности и уровня эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей и приводящий к увеличению ресурса работы штампов координатно-револьверных прессов в 1,51,6 раз.

2. Установлены закономерности формирования микроструктуры и распределения микротвердости в зоне термического влияния при газолазерной резке, криогенной обработке и лазерном отпуске. Криогенная обработка позволяет сохранить в быстрорежущей стали высоколегированный твердый раствор при снижении количества остаточного аустенита с 50-60% до 7-9%. Сталь приобретает повышенные значения микротвердости до 10000-10200 МПа.

3. Теоретически обосновано и практически реализовано выполнение после криогенной обработки лазерного отпуска. Расчет максимально достижимой глубины отпуска в интервале температур 600-550 °С совпадает с экспериментальными результатами с погрешностью менее 10 %.

4. Обобщены и развиты представления о влиянии технологических параметров газолазерной резки быстрорежущих сталей на качество поверхности реза. Экспериментально найдены критические скорости газолазерной резки, при которых шероховатость поверхности реза минимизирована (Ка = 0,6…1,2 мкм), что позволяет отказаться от операции шлифования рабочих поверхностей пуансонов и матриц координатно-револьверных прессов.

Практическая значимость работы

1. Разработана новая ресурсосберегающая технология упрочнения наплавленных быстрорежущей сталью режущих кромок разделительных штампов координатно-револьверных прессов с применением газолазерной резки как разделительной и упрочняющей обработки, криогенной обработки и лазерного отпуска.

2. Разработанная технология обеспечивает повышение микротвердости НУ0>2 наплавленной быстрорежущей стали в зоне закалки до 10000… 10200 МПа. Шероховатость рабочей поверхности пуансонов и матриц составила Яа = 0,6.. .1,2

мкм, что позволило отказаться от дальнейшей механической обработки упрочненной поверхности.

3. Эксплуатационная стойкость экспериментальной партии разделительных штампов повышена в 1,5-1,6 раз по сравнению с типовой технологией.

4. Разработанная технология упрочнения быстрорежущих сталей передана на ОАО «Электромеханика» (г. Ржев Тверской области) и в обособленное подразделение предприятия ООО «Центр лазерных технологий» (г. Владимир) для внедрения в производство.

5. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе по дисциплинам «Материаловедение», «Технологические процессы в машиностроении» и «Технология конструкционных материалов» при подготовке бакалавров по техническим направлениям в Тверском государственном техническом университете.

Методы исследований. Основные задачи работы решались на основе экспериментальных и теоретических методов исследования. Газолазерную резку, криогенную обработку и лазерный отпуск выполняли в производственных условиях. В лабораторных условиях выполняли механические испытания, металлографические исследования, электронно-микроскопический и спектрометрический и фазовый анализ. При обработке экспериментальных данных использовали статистические методы. Расчеты распределения температуры выполнялись с использованием системы компьютерной математики Maple.

Полное содержание диссертации на https://www.dissercat.com/content/povyshenie-rabotosposobnosti-bystrorezhushchei-stali-metodami-lazernoi-i-kriogennoi-obrabotk