Разработка многофакторных экспериментальных исследований покрытий на штамповую сталь. Изготовление опытных образцов из штамповой стали и нанесение на образцы многофункциональных покрытий. Проведение многофакторных экспериментов

Объектом исследования являются многофункциональные покрытия, позволяющие повысить период стойкости вырубных штампов. В электромашиностроении широко используются вырубные штампы для изготовления листов ротора, статора. Отечественные стали, используемые для изготовления матриц/пуансонов, не удовлетворяют современным предъявляемым к ним требованиям по прочности и износостойкости. Для современного производства очень остро стоит проблема повешения периода стойкости и ресурса работы вырубного штампа. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы повышения износостойкости и эксплуатационного ресурса рабочих поверхностей вырубных штампов, путём послойной лазерной микро- и наномодификации поверхности. Для повышения стойкости штампов путем лазерной модификации поверхностного слоя рабочих поверхностей могут быть использованы различные технологии: лазерное термоупрочнение, напыление упрочняющих порошков различными методами с последующим лазерным проплавлением покрытия и поверхности деталей, лазерная наплавка, заключающаяся в нанесении на поверхность детали порошкового материала с одновременным подплавлением основы детали. При этом основа подплавляется незначительно, поэтому свойства покрытия, в основном, зависят от свойств наплавляемого порошка. Эффективность применения упрочняющего покрытия обусловлена соответствием его химического состава и структуры условием эксплуатации. Так при работе вырубных штампов требуются максимальные твердость, износостойкость и ударостойкость. Для достижения комплекса высоких свойств в поверхностном слое важным вопросом является выбор легирующих элементов. От этого зависят процессы, проходящие в поверхностном слое, определяющие его структурный состав при расплавлении и затвердевании, а следовательно, и физико-технические характеристики получаемого покрытия. Для обеспечения прочного и надежного сцепления основного и порошкового упрочняющего материала необходимо добиваться минимального образования пор и трещин, снижения остаточных напряжений, уменьшения перемешивания металла основы с наносимым порошковым материалом. Качество наносимого покрытия на криволинейные поверхности, во многом, зависит от точности перемещения лазерной головки по трем координатам, поэтому в проводимых экспериментальных исследованиях для нанесения порошкового материала необходимо использовать роботы, что позволяет наносить равномерное покрытие на различные стали. На первом этапе необходимо решить следующие цели и задачи: - отсутствует анализ известных повышающих износостойкость покрытий штамповых сталей применительно к условиям работы вырубных штампов; - отсутствует технологии нанесения покрытий на рабочие поверхности элементов вырубных штампов. - необходимо разработать многофакторные экспериментальные исследования покрытий на штамповую сталь; - необходимо изготовить опытные образцы из штамповой стали и нанести на образцы многофункциональные покрытия; - необходимо провести многофакторные эксперименты. Тяжело нагруженные детали машин, например, такие как вырубные штампы, должны сочетать в себе такие свойства, как высокая твердость и износостойкость, температурная стабильность, ударостойкость, высокая антикоррозийная стойкость в условиях агрессивных и абразивных сред. высокая концентрация напряжений в поверхностных микрообъемах деталей при воздействии ударных, циклических нагрузок, а также непосредственный контакт с абразивными частицами и агрессивной средой являются факторами, способствующими развитию процессов трещинообразования, изнашиванию и коррозийному разрушению покрытий. Среди большого многообразия порошковых материалов, применяемых для формирования твердых износостойких слоев, самофлюсующиеся сплавы на никелевой основе являются одним из наиболее технологичных. Основной особенностью самофлюсующихся сплавов являются наличие в их составах флюсующих компонентов (Si, B или Mn), защищающих покрытия от развития окислительных процессов в ходе наплавки. Низкая температура плавления самофлюсующихся сплавов (существенно ниже температуры Tпл большинства сталей), высокая смачиваемость (наплавляемость), обусловленная способностью удалять оксидные пленки с подложки, а также близость теплофизических характеристик основного и наплавляемого материала являются наиболее важнейшими факторами, обеспечивающими технологичность самофлюсующихся сплавов. Самофлюсующиеся никелевые сплавы широко применяются в качестве матричных материалов, составляющих основу композиционных покрытий. В России крупнейший производитель металлических порошков – ОАО «Полема» предлагает широкий ассортимент самофлюсующихся сплавов с различными функциональными характеристиками. Обоснованный выбор такого сплава в качестве матричного материала – важная задача. Для проведения экспериментальных исследований на первом этапе проекта выбран самофлюсующийся сплав на никелевой основе ПГ-СР4, со следующим химическим составом – Cr-15-18%, Si 3,0 – 4,5, C 0,6 – 1,0%, B 2,8 – 3,8%, Fe ˂5%, Ni – основа. При проведении экспериментальных исследований по первому этапу проведены исследования различных технологий лазерной модификации поверхностей опытных образцов сталей, используя методики многофакторных экспериментов, проведена оптимизация режимов лазерной обработки по критериям твердости покрытия и его износостойкости. Эксплуатационные характеристики создаваемых покрытий на основе самофлюсующиеся сплава определяются тремя основными факторами: - состав матрицы сплава, в зависимости от свойств матрицы варьируется область применения деталей с поверхностно – упрочненным слоем; - объемная доля и состав упрочняющих фаз; - метод формирования покрытия. В качестве дополнительных упрочняющих фаз возможно применение, как твердых, тугоплавких соединений (карбидов, боридов, оксидов), так и материалов, вступающих в реакцию и образующих упрочняющие соединения непосредственно в процессе наплавки. В проводимых экспериментальных исследованиях планируется использовать карбиды вольфрама (WC) с размером порошка 30 – 80мкм Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. Проведённый анализ известных повышающих износостойкость покрытий для упрочнения вырубных штампов позволил выделить самофлюсующиеся порошки на базе Ni с присутствием упрочняющих фаз карбида вольфрама (WC). Твердость и износостойкость таких покрытий увеличиваются по мере увеличения в сплаве содержания хрома, бора, кремния и углерода. 2. Несмотря на определённые технологические преимущества лазерная термообработка (модифицирование) ответственных деталей машиностроения, работающих в условиях сильного абразивного износа и высоких нагрузок, в ряде случаев не позволяют получать покрытия, удовлетворяющие техническим требованиям. 3. Результаты проведенных экспериментальных исследований опытных образцов из штамповых сталей с лазерной наплавкой упрочняющих покрытий на базе никеля – NiCrSiWC (PE 1229) и на базе Co – WC10Co4Cr (Amperit 55586C) позволяют получить прочные плотные, с высокой твердостью и коррозийной стойкостью покрытия, но имеют высокий коэффициент трения скольжения, что в ряде случаев снижает эффективность их применения. 4. Результаты экспериментальных исследований, проведенных на первом этапе работы, позволяют выбрать технологию нанесения покрытий на рабочие поверхности вырубных штампов – использование самофлюсующихся порошковых материалов с добавлением упрочняющих легирующих фаз карбида вольфрама (WC). Заключительной операцией модификации поверхностного слоя является термообработка покрытия с оплавлением. 5. Проведенные исследования на данном этапе проекта, позволяют приступить к оформлению заявки на патент по теме проекта и выполнению второго этапа программы «Старт».