Оренбург, Оренбургская область, Россия
Оренбург, Оренбургская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Приведены результаты исследования, характеризующие влияние режимов термической обработки в соляных печахваннах на эксплуатационные характеристики волочильного инструмента из твёрдого сплава ВК8.
волока, твердый сплав, износ, твёрдость, термическая обработка, волочильный стан
Одной из причин выхода из строя твердосплавного инструмента является наличие в нём микротрещин. Наиболее распространёнными дефектами являются [1-3]: трещины; выкрашивание выходной распушки; раскол твердосплавной вставки; полный или частичный выход твердосплавной вставки; грубая выработка твердого сплава в виде бороздок; грубое кольцо износа; односторонняя выработка и т.д.
В настоящее время развитие получили следующие методы повышения стойкости инструментов: применение новых и усовершенствованных инструментальных материалов, улучшение качества рабочих поверхностей, усовершенствование конструкции и оптимизация геометрических параметров инструмента.
Термической обработке твердых сплавов посвящен ряд работ, результаты которых во многом противоречивы [4; 5]. В этих работах делались попытки проведения различных видов термической обработки как спеченных твердых сплавов, так и при изменении условий охлаждения в процессе спекания. Термическая обработка спеченных сплавов проводится в большинстве случаев по двум направлениям: нагрев до температуры от 800 до 1250 °С с последующим охлаждением в различных средах; отжиг (или отпуск) при температуре от 600 до 1250 °С в течение нескольких часов. При этом в сплаве добиваются структурных превращений, а применение отпуска способствует снижению термических напряжений, но повышение прочностных характеристик достигается не во всех случаях.
Постановка задачи исследования
Процесс волочения заключается в протягивании проволоки, трубы или других профилей через отверстие волоки, имеющее несколько меньшее сечение, чем исходная заготовка изделия. При волочении в бунтах металл протягивают сквозь волоку и сматывают на приёмный барабан или шайбу. Волочильные машины классифицируют по принципу волочения, расположению тянущих шайб, числу волок, системам управления и числу одновременно протягиваемых проволок [6].
Наибольшее распространение получили барабанные волочильные станы (рис. 1). Основными узлами стана являются барабан 1 (для размещения материала, подлежащего волочению), обойма с волокой 2, захват 5, тянущий барабан 3, редуктор 4 и электродвигатель. Повышение скорости волочения означает повышение производительности станов. Однако существуют границы повышения скорости волочения. Они носят технический (динамические нагрузки), технологический (царапины, прочность швов) и теплотехнический (повышение температуры, возможность охлаждения) характер. Промышленность также выпускает многобарабанные волочильные станы, в которых перед каждым из барабанов стоит волока. Скорость вращения каждого последующего барабана выше, чем у предыдущего, так как при волочении происходит удлинение. Наиболее изнашиваемой деталью волочильного стана является волока [7]. Деформация происходит в относительно коротком очаге длиной L.
Повышение износостойкости волок из твердого сплава во многом могло бы способствовать повышению производительности труда и снижению потребности в этом дорогостоящем инструменте [8; 9]. Целью и задачей данного экспериментального исследования являлось нахождение оптимальных режимов термической обработки волочильного инструмента из твёрдого сплава ВК8.
Экспериментальное исследование
В связи с трудностью проведения экспериментальных работ на цельных волоках в качестве образцов использовались четырехгранные пластины размером 15×15×5 мм производства Кировоградского завода твёрдых сплавов (ГОСТ 25395-90).
Предварительно с помощью микровизора μVizo-МЕТ-221 была исследована микроструктура пластин из твердого сплава ВК8 без термической обработки. Размер зерна карбидов вольфрама для исходного образца составил 5 мкм.
Термическая обработка проводилась в соляных печах-ваннах. На основании литературных данных [10] и опыта экспериментальных работ в Оренбургском государственном университете были предложены режимы термической обработки (табл. 1).
Таблица 1
Режимы термической обработки в соляных печах-ваннах
|
№ режима |
Условия проведения термической обработки |
|
1 |
Нагрев под закалку - 1250 ºС, среда охлаждения - масло, отпуск - 500 ºС |
|
2 |
Нагрев под закалку - 1250 ºС, среда охлаждения - воздух, отпуск - 200 ºС |
|
3 |
Нагрев под закалку - 1050 ºС, среда охлаждения - масло, отпуск - 500 ºС |
|
4 |
Нагрев под закалку - 1050 ºС, среда охлаждения - воздух, отпуск - 200 ºС |
|
5 |
Нагрев под закалку - 1150 ºС, среда охлаждения - воздух, отпуск - 350 ºС |
|
6 |
Нагрев под закалку - 1150 ºС, среда охлаждения - масло, отпуск - 350 ºС |
|
0 |
Без термической обработки (исходный) |
На разрывной электромеханической машине ИР 5047-50 провели испытание на изгиб, после которого был определен предел прочности твердого сплава до и после термической обработки. В табл. 2 представлены следующие характеристики: твёрдость, нагрузка и предел прочности.
Таблица 2
Предел прочности твердого сплава ВК8 до и после термической обработки
|
№ режима |
Твердость поВиккерсу НV |
Нагрузка Р, Н |
Предел прочности при изгибе Gизг, Н/мм2 |
|
1 |
1580 |
237 |
1600 |
|
2 |
1500 |
199 |
1550 |
|
3 |
1380 |
173 |
1300 |
|
4 |
1320 |
127 |
1250 |
|
5 |
1440 |
172 |
1500 |
|
6 |
1400 |
159 |
1450 |
|
0 |
1220 |
134 |
1100 |
После термообработки была исследована микроструктура образцов (рис. 2). Анализ микроструктуры твердого сплава ВК8 после различных режимов термической обработки показал наличие двух фаз: карбида вольфрама и кобальта. Размер зерна карбидов вольфрама уменьшается с 5 до 3,9 мкм. Также проведенный анализ излома твёрдого сплава показал наличие хрупкого излома у термически обработанного сплава и появление незначительного ямочного рельефа по кобальтовой связке.
Далее было проведено исследование влияния термической обработки твердого сплава на абразивный износ. Для определения абразивной износостойкости по массе была сконструирована машина для испытания на износостойкость при трении твердосплавных образцов. Испытания осуществляли по следующему принципу: предварительно взвешенный образец закрепляли в державке, прижимаемой рычагом к поверхности алмазного круга, который приводился в движение электродвигателем. Диаметр чашечного алмазного круга составляет 100 мм, а частота его вращения - 2750 об/мин. Продолжительность испытаний составляла 9 мин на каждый образец. Замеры веса проводились через каждые 3 мин при остановке машины. Для снятия замеров использовали лабораторные весы ВМ510Д. Результаты исследований на весовой и линейный износ представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Результаты исследований на весовой износ
|
№ |
Масса образца, г |
Износ, г |
|||||
|
m0 |
m3 |
m6 |
m9 |
Δ m3 |
Δ m6 |
Δ m9 |
|
|
1 |
3,298 |
3,293 |
3,288 |
3,275 |
0,005 |
0,01 |
0,023 |
|
2 |
3,298 |
3,292 |
3,282 |
3,27 |
0,006 |
0,016 |
0,028 |
|
3 |
2,458 |
2,451 |
2,449 |
2,447 |
0,007 |
0,009 |
0,011 |
|
4 |
1,956 |
1,953 |
1,947 |
1,943 |
0,003 |
0,009 |
0,013 |
|
5 |
2,807 |
2,803 |
2,801 |
2,798 |
0,004 |
0,006 |
0,009 |
|
6 |
3,935 |
3,924 |
3,917 |
3,914 |
0,011 |
0,021 |
0,006 |
|
0 |
5,836 |
5,818 |
5,808 |
5,797 |
0,018 |
0,028 |
0,039 |
Таблица 4
Результаты исследований на линейный износ
|
№ |
Размеры образца, мм |
|
|
г/мм2 |
г/мм2 |
||
|
|
b |
h |
l |
||||
|
1 |
15 |
15 |
5 |
225 |
0,22 |
0,44 |
1,02 |
|
2 |
0,27 |
0,7 |
1,24 |
||||
|
3 |
0,31 |
0,4 |
0,49 |
||||
|
4 |
0,13 |
0,4 |
0,58 |
||||
|
5 |
0,18 |
0,27 |
0,4 |
||||
|
6 |
0,49 |
0,93 |
0,27 |
||||
|
0 |
0,8 |
1,24 |
1,73 |
||||
Из результатов экспериментального исследования видно, что у образцов, подвергнутых термической обработке, прочностные характеристики увеличились в два раза по сравнению с исходным образцом.
Следующим этапом экспериментального исследования являлось составление матрицы планирования эксперимента 24-1. Термообработку проводили согласно матрице планирования эксперимента (табл. 5). Температура нагрева под закалку варьировалась: основной уровень - 1150 ºС, интервал варьирования ± 100 (фактор влияния X1). Закалка проводилась в масле И20 или на воздухе (фактор влияния X2). Отпуск: основной уровень - 350 ºС, интервал варьирования - ± 150, время отпуска - 15 мин (фактор влияния X3).
После проверки значимости коэффициентов в уравнениях регрессии по критерию Кохрена было получено уравнение зависимости твёрдости от режимов термической обработки:
Анализ уравнения показывает, что твёрдость повышается с увеличением температуры под закалку и снижением температуры отпуска.
Проведение термической обработки твёрдого сплава ВК8 в соляных печах-ваннах привело к увеличению прочностных свойств на 30-40 % и уменьшению износа при абразивных испытаниях до 2 раз.
Таблица 5
Матрица планирования эксперимента
|
Факторы |
Температура нагрева под |
Скорость |
Температура отпуска |
Параметры оптимизации |
||
|
Основной уровень (0) |
1150 |
воздух |
350 |
Твердость, H/мм2 |
Предел прочности при изгибе Gизг, Н/мм2 |
Абразивный износ, |
|
Предел |
100 |
масло 40 - 60 °С |
150 |
|||
|
Верхний |
1250 |
500 |
||||
|
Нижний |
1050 |
воздух |
200 |
|||
|
Код |
X1 |
X2 |
X3 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
|
Опыт №1 |
+ |
+ |
+ |
1580 |
1600 |
1,02 |
|
Опыт №2 |
+ |
- |
- |
1500 |
1550 |
1,24 |
|
Опыт №3 |
- |
+ |
+ |
1380 |
1300 |
0,49 |
|
Опыт №4 |
- |
- |
- |
1320 |
1250 |
0,58 |
|
Основной уровень |
1150 |
воздух |
350 |
1440 |
1500 |
0,4 |
|
Опыт №6 |
1150 |
масло |
350 |
1400 |
1450 |
0,27 |
|
Исходный |
|
|
|
1220 |
1100 |
1,73 |
Заключение
Проведённое термическое упрочнение волочильного инструмента из твердого сплава ВК8 в соляных печах-ваннах показало:
- повышение твёрдости в 2 раза;
- увеличение предела прочности при изгибе в 1,5 - 2 раза;
- уменьшение абразивного износа в 2 раза;
- уменьшение размера карбидов вольфрама (WC) твердого сплава с 5 до 3,9 мкм;
- наличие хрупкого излома у термически обработанного сплава и появление незначительного ямочного рельефа по кобальтовой связке.
Увеличение эксплуатационных характеристик твердого сплава ВК8 в 2 - 3 раза указывает на эффективность термической обработки в соляных печах-ваннах.
1. Сачава, Д.Г. Классификация, причины возникновения, способы предотвращения износа и разрушения волочильного инструмента / Д.Г. Сачава, И.П. Лазебникова // Литье и металлургия. - 2006. - № 4 (40). - С. 6-8.
2. Куренкова, Т.П. Определение возможных причин образования дефекта «точечное выкрашивание» в твердосплавном волочильном инструменте в процессе волочения / Т.П. Куренкова, И.П. Лазебникова, Т.Н. Липаткина // Литье и металлургия. - 2011. - № 3 (62). - С. 80-83.
3. Rubio, E.M. Calculation of the forward tension in drawing processes / E.M. Rubio, A.M. Camacho, L. Sevilla, M.A. Sebastian // Journal of Materials Processing Technology. - 2005. - № 162-163. - Р. 551-557.
4. Богодухов, С.И. Упрочнение твердых сплавов (обзор) / С.И. Богодухов, Е.С. Козик, Е.В. Свиденко // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2015. - № 11 (131). - С. 3-11.
5. Гурьев, А.М. Химико-термическая обработка материалов для режущего инструмента / А.М. Гурьев, С.Г. Иванов, М.А. Гурьев, Е.В. Черных, Т.Г. Иванова // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2015. - № 8 (58). - С. 578-582.
6. Радионова, Л.В. Современное состояние и перспективы развития волочильного производства стальной проволоки / Л.В. Радионова, А.А. Радионов // Машиностроение: сетевой электрон. науч. журн. - 2013. - № 1. - С. 3-11. - URL: http://indust-engineering.ru/issues/2013/2013-1.pdf (дата обращения: 20.06.2018).
7. Гурьянов, Г.Н. Факторы усталостного износа рабочего канала волочильного инструмента / Г.Н. Гурьянов // Механическое оборудование металлургических заводов. - 2013. - № 2. - С. 44-52.
8. Желтков, А.С. Современные технологии изготовления твердосплавных волок / А.С. Желтков // Металлоснабжение и сбыт. - 2013. - № 10. - С. 22-28.
9. Колмогоров, Г.Л. Оптимальная геометрия технологического волочильного инструмента / Г.Л. Колмогоров, Т.В. Чернова, Е.М. Аверьянова, М.В. Снигирева // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2013. - № 7. - С. 51-53.
10. Богодухов, С.И. Материаловедение: учеб. пособие / С.И. Богодухов, Е.С. Козик. - М.: Машиностроение, 2015. - 504 с.
