Зміцнення поверхневого шару інструментів сучасними технологіями

Випуски $\rightarrow$ Том 22, випуск 1 (2021)

К. О. Костик$^1$, В. О. Костик$^2$, В. Д. Ковальов$^2$

$^1$Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», вул. Кирпичова, 2, 61002 Харків, Україна
$^2$Донбаська державна машинобудівна академія, вул. Академічна, 72, 84313 Краматорськ, Україна

Отримано 23.12.2020; остаточна версія — 11.02.2021 Завантажити  PDF

Анотація
Збільшення терміну експлуатації та зносостійкости інструменту шляхом поверхневого зміцнення є актуальним питанням, вирішення якого сприятиме значному підвищенню працездатности виробів. Наявні способи поверхневого зміцнення інструментів, які ґрунтуються на нанесенні покриттів або зміні стану поверхні, набувають все більшого значення у зв’язку з ускладненням експлуатації виробів. Для дослідження використовували пластини з твердих стопів Т5К10 (85%WC–6%TiC–9%Co) і Т15К6 (79%WC–15%TiC–6%Co), а також циліндричні зразки зі швидкорізальних криць Р6М5 (W6Mo5Cr4V2) і Р18 (W18Cr4V). Дослідження показали, що після оброблення імпульсним магнетним полем пластин зі стопу Т15К6 стійкість різального інструменту поліпшилася на понад 200% порівняно зі стійкістю необробленого. Запропонований спосіб уможливить підвищити міцність твердостопних пластин і стабілізувати фізико-механічні властивості різального інструменту. Зміцнювальне оброблення інструментів з леґованих стопів методою борування в пастах з нанодисперсних порошків показало, що товщина боридного шару для швидкорізальних криць збільшується з тривалістю процесу, одначе швидкість її зростання залежить від складу криці. Збільшення часу витримки хеміко-термічного оброблення приводить до зростання боридних шарів, потовщення яких із часом описано поліномом другого степеня. Виявлено особливість формування дифузійних шарів, залежність поверхневої твердости та товщини шару боридів від часу борування для швидкорізальних сталей. Дослідження показали, що борування в нанодисперсному середовищі уможливлює значно підвищити зносостійкість криць. Проведені експертні оцінювання максимальних значень поверхневих властивостей для досліджених криць показали, що більш раціонально застосовувати в якості різального інструменту крицю Р6М5 після зміцнення поверхневого шару методою борування в нанодисперсному борвмісному порошку. Запропонована метода оброблення демонструє перспективність використання її для підвищення працездатности виробів і уможливлює значно підвищити зносостійкість матеріялів (у ≈ 3,38–3,75 разів) порівняно з крицями без оброблення.

Ключові слова: твердий стоп, швидкорізальна криця, поверхневе зміцнення, магнето-імпульсне оброблення, борування, твердість, зносостійкість.

Citation: K. O. Kostyk, V. O. Kostyk, and V. D. Kovalev, Strengthening the Surface Layer of Tools with State-of-the-Art Technologies, Progress in Physics of Metals, 22, No. 1: 78–102 (2021); doi: 10.15407/ufm.22.01.078

Цитована література

K.O. Kostyk, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6, No. 11(78): 8 (2015) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.55015.
K.H. Lee, S.W. Choi, J. Suh, and C.Y. Kang, Materials and Design, 95: 173 (2016); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.079.
K. Ogawa, H. Tanabe, and H. Nakagawa, Key Engineering Materials, 625: 545 (2015); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.625.545.
S.V. Fedorov, M.D. Pavlov, and A.A. Okunkova, Journal of Friction and Wear, 34, No. 3: 190 (2013); https://doi.org/10.3103/S1068366613030069.
N.A. Özbek, A. Cicek, M. Gülesin, and O. Özbek, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 86: 34 (2014); https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2014.06.007.
M. Feistle, I. Koslow, M. Krinninger, R. Golle, and W. Volk, Procedia CIRP, 63: 493 (2017); https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.03.161.
I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Bataev, A.A. Losinskaya, R.A. Dostovalov, A.I. Popelyukh, and E.A. Drobyaz, Surface and Coatings Technology, 242: 164 (2014); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.01.038.
F. Saba, E. Kabiri, J.V. Khaki, and M.H. Sabzevar, Powder Technology, 288: 76 (2016); https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.10.030.
A.F. Rousseau, J.G. Partridge, E.L. Mayes, J.T. Toton, M. Kracica, D.G. McCulloch, and E.D. Doyle, Surface and Coatings Technology, 272: 403 (2015); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.03.034.
S.H. Chang, T.C. Tang, K.T. Huang, and C.M. Liu, Surface and Coatings Technology, 261: 331(2015); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.005.
S. Ma, W. Pan, J. Xing, S. Guo, H. Fu, and P. Lyu, Materials Characterization, 132: 1 (2017); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.08.001.
M. Keddam, R. Chegroune, M. Kulka, N. Makuch, D. Panfil, P. Siwak, and S. Taktak, Transactions of the Indian Institute of Metals, 71, No. 1: 79 (2018); https://doi.org/10.1007/s12666-017-1142-6.
R. Carrera-Espinoza, U. Figueroa-Lopez, J. Martinez-Trinidad, I. Campos-Silva, Hernandez-E. Sanchez, and A. Motallebzadeh, Wear, 362–363: 1 (2016); https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.003.
A. Motallebzadeh, E. Dilektasli, M. Baydogan, E. Atar, and H. Cimenoglu, Wear, 328: 110 (2015); https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.01.029.
P. Budzynski, L. Kara, T. Kücükömeroglu, and M. Kaminski, Vacuum, 122: 230 (2015); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.10.002.
J.M. Castanho and M.T. Vieira, Journal of Materials Processing Technology, 143: 352 (2003); https://doi.org/10.1016/S0924-0136(03)00454-0.
T.N. Oskolkova, Steel Transl, 45, No. 5: (2015); https://doi.org/10.3103/S0967091215050137.
M. Araki and Y. Kuroyama, Physica BC, 139: 819 (1986); https://doi.org/10.1016/0378-4363(86)90710-2.
T. Sprute, W. Tillmann, D. Grisales, U. Selvadurai, and G. Fischer, Surface and Coatings Technology, 260: 369 (2014); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.075.
J. Gerth and U. Wiklund, Wear, 264, Nos. 9–10: 885 (2008); https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.11.053.
A.F. Rousseau, J.G. Partridge, E.L.H. Mayes, J.T. Toton, M. Kracica, D.G. McCulloch, and E.D. Doyle, Surface and Coatings Technology, 272: 403 (2015); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.03.034.
M. Feistle, I. Koslow, M. Krinninger, R. Golle, and W. Volk, Procedia CIRP, 63: 493 (2017); https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.03.161.
I.A. Podchernyaeva, A.D. Panasyuk, V.A. Lavrenko, A.I. Yuga, and V.I. Berezanskaya, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 38, Nos. 5–6: 250 (1999); https://doi.org/10.1007/BF02675771.
I.A. Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Bataev, A.A. Losinskaya, R.A. Dostovalov, A.I. Popelyukh, and E.A. Drobyaz, Surface and Coatings Technology, 242: 164 (2014); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.01.038.
S.H. Chang, T.C. Tang, K.T. Huang, and C.M. Liu, Surface and Coatings Technology, 261: 331 (2015); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.005.
A.-M. El-Batahgy, R.A. Ramadan, and A.-R. Moussa, Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology, 3, No. 2: 146 (2013); https://doi.org/10.4236/jsemat.2013.32019.
I.A. Fadhil, O. Akimov, L. Golovko, O. Goncharuk, and K. Kostyk, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5, No. 5(80): 69 (2016) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.65455.
H. Caliskan, P. Panjan, and C. Kurbanoglu, Comprehensive Materials Finishing (Ed. M.S.J. Hashmi) (Oxford: Elsevier: 2017), vol. 3, p. 230; http://hdl.handle.net/11772/3514.
B. Kursuncu, H. Caliskan, S.Y. Guven, and P. Panjan, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 97, Nos. 1–4: 467 (2018); https://doi.org/10.1007/s00170-018-1931-z.
M. Sakoman, D. Coric, T.A. Fabijanic, and S. Kovacic, Transactions of FAMENA, 44, No. 1: 29 (2020); https://doi.org/10.21278/TOF.44103.
D. Neves, A.E. Diniz, and M.S.F. Lima, Applied Surface Science, 282: 680 (2013); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.06.033.
J. Wu, Y. Zou, and H. Sugiyama, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 85, Nos. 1–4: 585 (2016); https://doi.org/10.1007/s00170-015-7962-9.
F. Saba, E. Kabiri, J.V. Khaki, and M.H. Sabzevar, Powder Technology, 288: 76 (2016); https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.10.030.
S. Ma, W. Pan, J. Xing, S. Guo, H. Fu, and P. Lyu, Materials Characterization, 132: 1 (2017); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.08.001.
M. Keddam, R. Chegroune, M. Kulka, N. Makuch, D. Panfil, P. Siwak, and S. Taktak, Transactions of the Indian Institute of Metals, 71, No. 1: 79 (2018); https://doi.org/10.1007/s12666-017-1142-6.
R. Carrera-Espinoza, U. Figueroa-Lopez, J. Martinez-Trinidad, I. Campos-Silva, E. Hernandez-Sanchez, and A. Motallebzadeh, Wear, 362: 1 (2016); https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.003.
E. Hernandez-Sanchez, J.C. Velazquez, J.L. Castrejon-Flores, A. Chino-Ulloa, I.P.T. Avila, R. Carrera-Espinoza, J.A. Yescas-Hernandez, and C. Orozco-Alvarez, Materials Transactions, 60, No. 1: 156 (2019); https://doi.org/10.2320/matertrans.M2018282.
N. Maharjan, W. Zhou, and N. Wu, Surface and Coatings Technology, 385, 125399 (2020); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125399.
E. Hernandez-Sanchez, G. Rodriguez-Castro, A. Meneses-Amador, D. Bravo-Barcenas, I. Arzate-Vazquez, H. Martinez-Gutierrez, M. Romero-Romo, and I. Campos-Silva, Surface and Coatings Technology, 237: 292 (2013); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.09.064.
I. Türkmen, E. Yalamac, and M. Keddam, Surface and Coatings Technology, 377: 124888 (2019); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.08.017.
M. Keddam, M. Kulka, N. Makuch, A. Pertek, and L. Maldzinski, Applied Surface Science, 298: 155 (2014); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.01.151.
R. Carrera-Espinoza, U. Figueroa-Lopez, J. Martinez-Trinidad, I. Campos-Silva, E. Hernandez-Sanchez, and A. Motallebzadeh, Wear, 362: 1 (2016); https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.003.
H. Cimenoglu, E. Atar, and A. Motallebzadeh, Wear, 309, Nos. 1–2: 152 (2014); https://doi.org/10.1016/j.wear.2013.10.012.
M. Bektes, A. Calik, N. Ucar, and M. Keddam, Materials Characterization, 61, No. 2: 233 (2010); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2009.12.005.
M. Kulka, N. Makuch, A. Pertek, and A. Piasecki, Materials Characterization, 72: 59 (2012); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2012.07.009.
I. Campos-Silva, M. Flores-Jimenez, G. Rodriguez-Castro, E. Hernandez-Sanchez, J. Martinez-Trinidad, and R. Tadeo-Rosas, Surface and Coatings Technology, 237: 429 (2013); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.05.050.
S. Taktak, Journal of Materials Science, 41, No. 22: 7590 (2006); https://doi.org/10.1007/s10853-006-0847-4.
I. Ozbek and C. Bindal, Vacuum, 86, No. 4: 391 (2011); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2011.08.004.
V. Kovalov, Y. Vasilchenko, M. Shapovalov, R. Turmanidze, and P. Dasic, International Journal of Industrial Engineering and Management (IJIEM), 10, No. 1: 125 (2019); https://doi.org/10.24867/IJIEM-2019-1-125.
I.A. Fadhil, O. Akimov, and K. Kostyk, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2, No. 11(86): 56 (2017) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.100014.
O.I. Soshko and V.O. Soshko, Progress in Physics of Metals, 20, No. 1: 96 (2019); https://doi.org/10.15407/ufm.20.01.096.
M.O. Kurin, Progress in Physics of Metals, 21, No. 2: 249 (2020); https://doi.org/10.15407/ufm.21.02.249.
S. Asai, Electromagnetic Processing of Materials (Dordrecht: Springer: 2012), vol. 99, p. 113; https://doi.org/10.1007/978-94-007-2645-1_5.
O. Bataineh, B. Klamecki, and B.G. Koepke, Journal of Materials Processing Technology, 134, No. 2: 190 (2003); https://doi.org/10.1016/S0924-0136(02)01002-6.
A. Dehghani, S.K. Amnieh, A.F. Tehrani, and A. Mohammadi, Wear, 384: 1 (2017); https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.04.023.
L. Ma, X. Wang, Z. Liang, Y. Liu, and D. Zhang, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 101, Nos. 9–12: 2391 (2019); https://doi.org/10.1007/s00170-018-3105-4.
Q. Shao, J. Kang, Z. Xing, H. Wang, Y. Huang, G. Ma, and H. Liu, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 476: 218 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.12.105.
P. Budzynski, L. Kara, T. Küçükömeroğlu, and M. Kaminski, Vacuum, 122: 230 (2015); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.10.002.
M. Fenker, M. Balzer, and H. Kappl, Surface and Coatings Technology, 257: 182 (2014); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.069.
J. Mencik, Mechanics of Components with Treated or Coated Surfaces (Springer Science and Business Media: 2013), vol. 42, p. 366; https://doi.org/10.1007 / 978-94-015-8690-0.
S.A. Kusmanov, I.V. Tambovskii, A.R. Naumov, I.G. D’yakov, I.A. Kusmanova, and P.N. Belkin, Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 53: 488 (2017); https://doi.org/10.1134/S2070205117030121.
F. Siyahjani, E. Atar, and H. Cimenoglu, Metal Science and Heat Treatment, 58, Nos. 3–4: 170 (2016); https://doi.org/10.1007/s11041-016-9983-x.
P.N. Belkin and S.A. Kusmanov, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 55, No. 1: 1 (2019); https://doi.org/10.3103/S106837551901006X.
P.N. Belkin and S.A. Kusmanov, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 52, No. 6: 531 (2016); https://doi.org/10.3103/S106837551606003X.
A.А. Vereschaka, M.A. Volosova, A.D. Batako, A.S. Vereshchaka, and B.Y. Mokritskii, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 84, Nos. 5–8: 1471 (2016) (in Russian); https://doi.org/10.1007/s00170-015-7808-5.
A. Piasecki, M. Kotkowiak, and M. Kulka, Wear, 376: 993 (2017); https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.01.102.
B. Heer, H. Sahasrabudhe, A.K. Khanra, and A. Bandyopadhyay, Journal of Materials Science, 52, No. 18: 10829 (2017); https://doi.org/10.1007/s10853-017-1271-7.
T.M. Radchenko, O.S. Gatsenko, V.V. Lizunov, and V.A. Tatarenko, Progress in Physics of Metals, 21, No. 4: 580 (2020); https://doi.org/10.15407/ufm.21.04.580.
K.H. Levchuk, T.M. Radchenko, and V.A. Tatarenko, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 43, No. 1: 1 (2021) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/mfint.43.01.0001.
W.A. Dhafer, V. Kostyk, K. Kostyk, A. Glotka, and M. Chechel, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, No. 3(5): 44 (2016) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.69809.
V.O. Kostyk, K.O. Kostyk, V.D. Kovalov, R. Turmanidze, and P. Dasic, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 568, No. 1: 012118 (2019); https://doi.org/10.1088/1757-899X/568/1/012118.