Підвищення довговічності тонкостінного ріжучого інструменту : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : 05.02.01 - Матеріалознавство

Abstract

На підставі комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, запропонована нова технологія зміцнення тонкостінного ріжучого інструмента покриттями із різних матеріалів. Теоретично оцінені температурні поля, що формуються в різних зонах тонкостінного ріжучого інструмента, який піддається інтенсивному зносу і втомній пошкоджуваності. У ножах зі сталі 65Г вона становить 48°С (в основній частині) і в найбільш тонкій - біля краю леза - 575°С, а зі сталі 20Х13 - не перевищує 385°С. Експериментально визначені параметри нанесення і товщина покриттів: WC (використаний іонно - плазмовий метод зміцнення); CrN (вакуумно – дуговий метод). Запропоновано конструктивний спосіб підвищення довговічності тонкостінних ножів наноструктурними покриттями з формуванням смуг жорсткості. Розроблено технологію контролю якості та стану зміцненого та зношеного шару. Запропоновано новий 19 комплексний оптико - математичний метод оцінки деградації структури при експлуатації ножів та чинників, які призводять до руйнування. Отримано основні механічні характеристики вихідного і зміцненого ріжучого інструмента зі сталі 65Г. Покриття має більш високий рівень нанотвердості і досягає 23,19ГПа (для вихідного не перевищує 4,09ГПа). Пружне відновлення становить 47%. Опір пластичній деформації металу ножа з покриттям CrN збільшився в 93рази. Промислові випробування зміцнених ножів показали підвищення експлуатаційної стійкості в 25 (для покриттів CrN ) та 45 разів (для WС).

В диссертации, на основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований, предложена новая технология упрочнения тонкостенного режущего инструмента покрытиями. Теоретически оценены температурные поля, формируемые в различных зонах тонкостенного режущего инструмента, подвергаемому интенсивному износу и усталостной повреждаемости при эксплуатации. В ножах из стали 65Г она составляет 48°С (в основной части) и в наиболее тонкой – у края лезвия - 575°С, из стали 20Х13 - не превышает 385°С. Экспериментально определены параметры нанесения покрытий. Для покрытия WC (нанесено ионно – плазменным методом) основные параметры: давление - PAr= 3*10-3 Торр, отрицательное смещение на ВЧ - электроде - Есм= - 700 V, внешнее магнитное поле ~ 30 эрстед, время нанесения – 2ч, толщина – 100нм. Для покрытия CrN (нанесено вакуумно – дуговым методом) основные параметры: давление азота - Р = 2*10-3 Торр, отрицательное смещение на подложке составляло Uсмещ = - 80 В, ток дуги хромового катода Iд= 110А, Iфок = 0,7 А., время нанесения - 20мин, толщина – 900нм. Предложенная технология включает и предварительную обработку перед нанесением покрытий для активации поверхности, ее очистку ультразвуком (5мин) и ВЧ – разрядом в среде аргона при давлении Р = 2*10-1 Торр и Uсмещ = -1кВ в течении 15 мин. Предложен способ повышения долговечности тонкостенных ножей наноструктурными покрытиями с формированием ребер жесткости. Разработана технология контроля качества и состояния упрочненного и изношенного слоя. Разработан комплексный оптико – математический метод оценки фазового состава исходных ножей и с покрытием, который позволяет оценить стабильность структуры при эксплуатации ножей и степень деградации упрочняющих фаз, а также однородность свойств в различных зонах режущего инструмента и установить причины его разрушения. Получены основные механические характеристики исходного режущего инструмента из стали 65Г и упрочненного. Покрытие обладает более высоким уровнем нанотвердости (по сравнению с исходным) и достигает 23,19ГПа (для исходного ножа не превышает 4,09ГПа). Среднее значение модуля упругости покрытия CrN составило 281,19ГПа (для исходного - 204,7ГПа). Упругое восстановление составляет 47%. 20 Сопротивление пластической деформации металла ножа с покрытием CrN увеличилось в 93 раза по сравнению с исходным. Предложенная новая технология обеспечивает сохранность планшетности инструмента, высокое сопротивление усталостной повреждаемости, повышение износостойкости и эксплуатационной стойкости, снижение отрицательного влияния пор и дефектов, обеспечение эффекта самозатачивания благодаря упрочнению ножей с одной стороны. Выполнены испытания в промышленных условиях на ПАО «Кондитерская фабрика «Харьковчанка». Эксплуатационная стойкость инструмента была повышена в 45 раз у ножей, упрочненных покрытиями WС толщиной 100нм и в 25 раз - CrN толщиной 900нм. Экономический эффект от внедрения разработанной технологии упрочнения покрытиями режущего инструмента в пищевой промышленности составляет 51111грн в год (WС толщиной 100нм) и 61000грн в год (CrN толщиной 900нм).

Based on complex theoretical and experimental investigations, a new technology of hardening of the thin-walled cutting tools by coatings from different materials has been proposed. Temperature fields generated in various zones of the thin-wall cutting tool, that undergoes the intensive wear and fatigue defectiveness is estimated theoretically. In knives from 65G steel it is 48 ° C (in the main part) and in the thinnest part, at the edge of the cutting edge, it is 575°C, and from steel 20Cr13 - does not exceed 385°C. Parameters of the covering: WC (ion - plasma method of hardening is used); CrN (vacuum - arc method) - has been defined experimentally. A constructive way of increasing the durability of thin knives by nanostructured coatings with the formation of hardness edges has been proposed. The control technology of quality and of the state of hardened layer and of worn-out layer has been developed. A new complex optical - mathematical method for estimation of structure degradation during the operation of knives has been proposed. The basic mechanical characteristics of initial and hardened cutting tool from the steel 65G has been obtained. The coating has a higher level of the nanohardness and reaches 23,19 GPa (for initial knife does not exceed 4.09 GPa). Elastic recovery is 47%. Resistance to plastic deformation of knife metal with CrN coating has increased in 93 times. Industrial tests of hardened knifes has showed the increasing of operational stability in 25 (for CrN coatings) and in 45 times (for WC).