СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК Российский патент 1995 года по МПК B22F3/24 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к холодной и горячей механической обработке металлов, в частности к методам увеличения износостойкости режущего инструмента.

Известен способ обработки стальных заготовок режущим инструментом, изготовленным из твердых сплавов на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой и подвергнутым облучению протонами высоких энергий.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки стальных заготовок режущим твердосплавным инструментом на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой, в который с целью увеличения износостойкости вводят карбиды титана, тантала и ниобия.

Недостатки известных способов: необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования ускорителя заряженных частиц высоких энергий (циклотрона), остаточная радиоактивность обработанных изделий, большая длительность процесса облучения порядка нескольких часов; малая величина износостойкости, недостаточная эффективность способа, обусловленная отсутствием критерия, связывающего ее с составами обрабатываемого материала (стали) и инструмента.

Цель изобретения повышение износостойкости режущего инструмента, предупреждение возникновения остаточной радиоактивности, повышение эффективности способа за счет установления зависимости, связывающей ее с составами режущего инструмента и обрабатываемой инструментом стали.

Поставленная цель достигается тем, что обработке подвергают сталь, содержащую, мас. хром не менее 12, марганец не менее 1,05, кобальт не менее 14, никель не менее 5. Используют инструмент, изготовленный из твердого сплава с суммарным содержанием кобальта, карбида титана, карбида тантала и карбида ниобия не менее 15 мас. Инструмент предварительно подвергают воздействию доз α- или γ-излучения в интервалах 4,0˙ 10¹² 1,9 ˙ 10¹³ см^-2, 8,6˙ 10⁷ 1,3˙ 10⁸ рентген соответственно.

Положительный эффект изобретения проявляется в том, что появляется возможность: увеличения износостойкости режущего инструмента в несколько раз; использования простого оборудования, например природных источников α -излучения, в частности Pu²³⁸, с энергией α -частиц ≈ 5 МэВ, и γ -излучения, в частности Со⁶⁰, Cs¹³⁷, с энергиями γ-квантов ≈ 0,5-1,2 МэВ, не вызывающими наведения остаточной радиоактивности в твердосплавном материале.

Режущие пластины, изготовленные из твердых сплавов марок МС 111, МС 146, Т 5К10 и Т15К6, увеличивают свою износостойкость и срок службы от 30% до 5-7 раз после воздействия ионизирующей радиации: протонов и α-частиц высоких энергий и γ-излучения. Положительный эффект не зависит от рода ионизирующей радиации, что позволяет использовать радиационно безопасные (α γ) и экономически выгодные (природные источники) ее виды. Нами экспериментально и теоретически показано, что во всех случаях механизм увеличения износостойкости один и тот же ионизационный, и найдены pежимы, обеспечивающие максимум работоспособности режущих пластин. Для α--излучения это дозы Φ_α11,4˙ 10¹³ см^-2 и Φ_α2 (2-4) ˙ 10¹⁴ см^-2. Для γ-излучения это дозы D_γ1 ≈10⁴ -10⁵ рентген и D_γ2 8,6 ˙ 10⁷ 1,3 ˙ 10⁸ рентген. Эти режимы неразрывно связаны с энергией (6,3 МэВ) и потоком (4 ˙ 10¹⁴ см^-2) протонов в аналоге и обусловлены равенством поглощенной энергии и количества частиц, падающих на 1 см² поверхности твердого сплава для всех трех видов ионизирующей радиации.

Положительный зффект радиационного воздействия определяется как состав твердого сплава, из которого изготовлен режущий инструмент, так и составом обрабатываемого материала, причем между ними существует закономерная связь. Чем сильнее легирован обрабатываемый материал (например, сталь) различными элементами (например Cr, Mn, Ni, Mo, Co и др.), тем меньшие концентрации кобальта и карбидов титана, тантала и ниобия может содержать твердый сплав. Существенно, что указанная закономерность справедлива лишь в том случае, если дозы радиации отвечают энергетическому максимуму времени работоспособности облученного инструмента (доза протонов Φ_p ≈ 4 ˙ 10¹⁴ см^-2, доза α-частиц Φ_α ≈ 1,4 ˙10¹³ см^-2, доза γ -квантов D_γ ≈ 8,6 ˙ 10⁷ 1,3 ˙ 10⁸ рентген. Примеры, представленные ниже, посвящены исключительно одному виду материалов сталям, в связи с их чрезвычайной важностью для практики.

П р и м е р 1. В способе-аналоге в МГТУ им. Н.Э.Баумана режущими пластинами из твердого сплава марки Т15К10 обрабатывались заготовки из стали 05Х12К14Н5-М5ТВ-ВД, относящейся к коррозионно-стойким, жаропрочным, низкоуглеродистым сложнолегированным мартенситно-стареющим сталям (IV группа обрабатываемости). Состав стали и результаты испытаний представлены в 1-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента от стойкости (К_ст)К_{ст.макс.} 9,0.

П р и м е р 2. На заводе МосАвтоЗИЛ проведены две серии испытаний на срок службы режущих пластин из твердого сплава марки Т5К10. Пластины были облучены протонами с начальной энергией Е_о 6,3 МэВ и дозами от 1 ˙ 10¹⁴ см^-2 до 4 ˙ 10¹⁴ см^-2. В первой серии испытаний обрабатывались заготовки из стали 25ХГМ. Обработка проводилась на токарном гидрокопировальном полуавтомате модели 1722. Скорость резания V составляла 120 м/мин, подача s 0,15 мм/об. глубина резания t 2,0 мм. Состав стали, условия облучения и результаты испытаний представлены во 2-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс} 3,7.

Во второй серии опытов обрабатывались заготовки из стали 50. При тех же значениях скорости и глубины резания величина подачи была увеличена и равнялась 0,86 мм/об. Состав стали, условия облучения и результаты испытаний представлены в 3-ей строке табл.1.

Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс.} 0,97.

П р и м е р 3. На Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки МС 146, близкого по составу и области применения к твердому сплаву марки Т5К10. Пластины были подвергнуты воздействию γ-излучения от природного источника Сs¹³⁷ с энергией ≈ 0,5 МэВ. Дозы варьировались в интервале 6 ˙ 10² 8,6 ˙ 10⁷ рентген. Обрабатываемый материал сталь 50. Обработка проводилась на станке модели 1М63. Скорость резания V составляла 140 м/мин, подача s 0,20 мм/об. глубина резания t 1,0 мм. Состав стали, условия облучения и результаты испытаний представлены в 4-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости достигалось при дозе 6 ˙ 10⁴ рентген и равнялось К_{ст.макс}. 1,34. Однако при дозе 8,64 ˙ 10⁷ рентген К_ст 0,945 К_{ст.макс}.

П р и м е р 4. На заводе "Фрезер" проведены испытания на износостойкость фрез, изготовленных из твердого сплава марки МС 146, близкого по составу, и области применения к твердому сплаву марки Т5К10. Пластины были подвергнуты воздействию γ-излучения от природного источника Cs¹³⁷ с энергией ≈ 0,5 МэВ и дозой 1,3 ˙ 10⁸ рентген. Пластины в количестве 8 шт. установленные в корпусе универсальной фрезы 125 мм, испытывались на вертикально-фрезерном станке модели 6Т13Ф20. Обрабатываемый материал сталь 45. Число оборотов шпинделя n 300 об/мин, скорость резания V 117,8 м/мин, подача минутная S 250 мм/мин, подача на зуб s 0,104 мм/зуб. глубина фрезерования t 3 мм, ширина фрезерования b 80 мм, длина прохода l 300 мм. Нормативный средний износ по задней поверхности 1 мм. Испытания проведены на четырех режущих кромках облученных пластин и двух режущих кромках контрольных пластин. Результаты испытаний: причиной прекращения испытаний обоих партий пластин явилось достижение нормативного износа режущих кромок по задней поверхности, сколов или выкрошиваний режущих кромок не наблюдалось; средняя стойкость облученных пластин на 30% выше средней стойкости контрольных пластин. Состав стали, условия облучения и результаты испытаний представлены в 5-й строке табл.1. Среднее значение коэффициента стойкости К_ст 1,30.

П р и м е р 5. На головном предприятии Объединения МЭЛЗ проведены испытания на срок службы режущих пластин из твердого сплава марки Т15К6, подвергнутых облучению потоком протонов с начальной энергией Е 6,3 МэВ. Материал заготовок сталь 08Х18Н10. Состав стали, условия облучения и результаты испытаний представлены в 6-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс} 5,3.

П р и м е р 6. На заводе МосАвтоЗИЛ проведены испытания на срок службы режущих пластин из твердого сплава марки Т15К6. Условия облучения и испытаний были теми же, что и во второй серии испытаний примера 2. Результаты испытаний представлены в 7-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс}0,785 и достигалось при значении потока протонов Φ_p 3 ˙ 10¹⁴ см^-2.

П р и м е р 7. На Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость режущих пластин, изготовленных из твердого сплава на циклотроне НИИЯФ МГУ. Энергия протонов Е_о6,4 МэВ, поток Φ_p варьировался в интервале от 1 ˙ 10¹⁴ см^-2 до 8 ˙ 10¹⁴ см^-2. Условия испытаний были теми же, что и в примере 3, но скорость резания V 210 м/мин. Состав стали, условия и результаты испытаний представлены в 8-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс} 2,1 и достигалось при значении потока протонов Φ_p 2 ˙ 10¹⁴ см^-2.

П р и м е р 8. В Люберецком производственном объединении "Завод им; Ухтомского" проведены испытания на срок службы режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки Т15К6. Пластины были подвергнуты воздействию γ-излучения от природного источника Cs¹³⁷ с энергией ≈ 0,5 МэВ и дозами от 4,3 ˙ 10⁷ до 1,3 ˙ 10⁸ рентген. Испытания проведены при трех видах механической обработки заготовок: черновой, токарной и чистовой. Во всех случаях испытывалось по одной контрольной и одной облученной режущим пластинам. Черновая обработка заготовок из стали 18ХГТ проводилась на восьмишпиндельном вертикальном полуавтоматическом станке модели 1К282. В шести операциях скорость резания V изменялась от 68 до 140 м/мин, ( 93 м/мин), подача s от 0,17 до 0,34 мм/об. ( 0,24 мм), число оборотов шпинделя n от 119 до 248 об/мин ( 173 об/мин), диаметр обрабатываемых заготовок D от 72 до 178 мм ( 96 мм). Чистовая и токарная обработки проводились на станке модели 1Н713. В трех операциях V изменялась от 62 до 102 м/мин. ( 89 м/мин), подача s от 0,1 до 0,2 мм/об. ( 0,15 мм/об.), глубина резания t от 0,6 до 1,0 мм ( 0,9 мм), число оборотов шпинделя n от 180 до 250 об/мин ( 203 об/мин). Состав стали и результаты испытаний представлены в 9-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс}7,0 достигалось при черновой обработке и дозе 1,3 ˙ 10⁸ рентген.

П р и м е р 9. В Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского" проведены испытания на срок службы режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки Т15К6. Пластины были подвергнуты воздействию α-излучения от природного источника Pu²³⁸ с энергией ≈ 5 МэВ и дозами Φ_1α 1,4 ˙ 10¹³ см^-2, Φ_2α 2,8 ˙ 10¹³ см^-2 и Φ_3α5,6 ˙ 10¹³см^-2. Условия испытаний были теми же, что и в примере 8. Результаты испытаний представлены в 10-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс.} 7,0 достигалось при чистовой обработке и дозе Φ_1α 1,4˙ 10¹³ см^-2.

П р и м е р 10. На Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки Т15К6. Пластины были подвергнуты воздействию γ-излучения от природного источника Сs¹³⁷ с энергией ≈ 0,5 МэВ и дозами от 6 ˙ 10² до ≈ 1,0 ˙ 10⁸ рентген. Условия испытаний были теми же, что и в примере 7. Результаты испытаний представлены в 11-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс.} 2,0 и достигалось при дозе 6 ˙ 10⁴ рентген.

П р и м е р 11. В Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского" проведены испытания на срок службы режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки МС 111. Пластины были подвергнуты воздействию γ-излучения от природного источника Cs¹³⁷ с энергией ≈ 0,5 МэВ и дозами от ≈ 8,6 ˙ 10⁷ рентген до ≈ 2,2 ˙ 10⁸ рентген. Обрабатываемая деталь КРНО3604, материал заготовок сталь 45Г2 (первая серия опытов) и сталь 45 (вторая серия опытов). Обработка проводилась на гидрокопировальном полуавтоматическом станке модели 473-4. Число оборотов шпинделя n 400 об/мин, скорость резания V= 70 м/мин, подача s 0,53 мм/об. глубина резания t 2,5 мм. Результаты испытаний приведены в 12-й и 13-й строках табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости зависели от состава обрабатываемого материала: К_{ст.макс} 5,2 (сталь 45Г2) и К_{ст.макс} 2,2 (сталь 45) и достигались при дозах ≈ 8,6 ˙ 10⁷ рентген.

П р и м е р 12. На Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки МС 111. Пластины были подвергнуты воздействию γ-излучения от природного источника Сs¹³⁷ с энергией ≈ 0,5 МэВ и дозами от 6 ˙ 10² до ≈ 1,0 ˙ 10⁸ рентген. Испытания проводились на станке модели 1 М63 при тех же значениях скорости резания V₁ 190 м/мин, V₂ 215 м/мин и V₃ 220 м/мин. Значения подачи и глубины резания и обрабатываемый материал были теми же, что и в примерах 7 и 10. Результаты испытаний представлены в 14-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс} 4,5 и достигалось при дозе ≈ 8,6 ˙10⁷ рентген.

П р и м е р 13. В Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского" проведены испытания на срок службы режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки МС 111. Пластины были подвергнуты воздействию α-излучения от природного источника Pu²³⁸ с энергией ≈ 5 МэВ и дозами от 1,4 ˙ 10¹³ см^-2 до 1,1 ˙10¹⁴ см^-2. Испытания проводились при тех же условиях, что и в примере 11 (обрабатываемый материал сталь 45Г2). Результаты испытаний представлены в 15-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс} 3,1 и достигалось при дозе Φ_1α 1,4˙ 10¹³ см^-2.

П р и м е р 14. На Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки МС 111. Пластины были подвергнуты воздействию α-излучения от природного источника Pu²³⁸ с энергией ≈ 5 МэВ и дозами от 9,75 ˙ 10⁹ см^-2 до 1,4 ˙ 10¹³ см^-2. Условия испытаний были теми же, что и в примере 12. Результаты испытаний представлены в 16-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс} 5,0 и достигалось при дозе Φ_1α1,4˙ 10¹³см^-2.

П р и м е р 15. В Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского" проведены испытания на срок службы режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки Т15К6. Пластины были подвергнуты воздействию γ-излучения от природного источника Сs¹³⁷ с энергией ≈ 0,5 МэВ и дозами от 6 ˙ 10² до 7,2˙ 10⁵ рентген. Испытания проводились при тех же условиях, что и в примере 8 (черновая обработка). Результаты испытаний представлены в 17-й строке табл.1. Максимальное значение коэффициента стойкости К_{ст.макс.} 1,26 и достигалось при дозе 6˙ 10³ рентген.

Во всех испытаниях коэффициент стойкости определяется сравнением с базисными пластинами той же марки.

Анализ результатов, представленных в примерах 1-14 и подытоженных в табл.1, показывает, что как в лабораторных, так и в заводских испытаниях проявляется общая закономерность: максимальное значение коэффициента стойкости режущих пластин, подвергнутых воздействию ионизирующей радиации, намного больше единицы, если ими обрабатываются легированные стали. Величина коэффициента стойкости закономерно убывает по мере уменьшения содержания в стали различных легирующих присадок. Иначе говоря, эффект проявляется в полной мере в случае легированных сталей и в значительно меньшей степени (только в случае МС 111) в случае углеродистых сталей. Этот эффект весьма четко проявляется на режущих пластинах из твердых сплавов марок Т5К10, МС 146 и Т15К6 и менее заметен на пластинах из сплава МС 111, т.е. он зависит от состава твердого сплава (см.таб.2). Если в твердых сплавах суммарное содержание Со, TiC, TaC и NbC не менее 15 мас. то режущими пластинами, изготовленными из них и подвергнутыми воздействию ионизирующей радиации, можно с успехом обрабатывать легированные и сложнолегированные стали. Эффект увеличения износостойкости объясняется легированием режущей кромки вследствие радиационно-стимулированной диффузии при высокой температуре кромки в процессе резания. В то же время такими пластинами можно обрабатывать и углеродистые стали, но большого выигрыша от введения еще одной операции в производственный цикл ожидать не следует. Если же в твердых сплавах суммарное содержание Со, TiC, TaC и NbC значительно превосходит 15 мас. то режущими пластинами, изготовленными из них и подвергнутыми воздействию ионизирующей радиации, можно с успехом обрабатывать любые сорта стали, в том числе и углеродистые. Легирование режущей кромки инструмента из обрабатываемой стали в процессе резания играет меньшую роль.

Результаты, представленные в табл.1 и 2, показывают, что высокие значения коэффициента стойкости достигаются в тех случаях, когда механической обработке подвергают сталь, содержащую, мас. Cr не менее 12; Mn не менее 1,05; Со не менее 14; Ni не менее 5; Мо не менее 5. Суммарное содержание кобальта и карбидов титана, тантала и ниобия в твердом сплаве составляет не менее 15 мас. Предварительное облучение α-частицами высоких энергий или γ-квантами проведено в интервалах доз, отвечающих энергетическому максимуму времени работоспособности, что соответствует дозам α-частиц 4,0 ˙ 10¹² -1,9 ˙ 10¹³ см^-2 и дозам γ-квантов 8,7 10⁷- 1,3 ˙ 10⁸ рентген. Приведенный интервал доз для случая облучения α-частицами найден нами из графиков дозовых зависимостей t_p/t_рмакс и N_g/N_gмакс на уровне 0,85 от максимальных значений величин: t_р времени работоспособности режущего инструмента, подвергнутого воздействию ионизирующей радиации, N_g количества обработанных им деталей. Интервал доз γ-излучения найден нами из того же критерия с учетом "резонансного" характера дозовой зависимости N_g/N_gмакс. Приводится лишь один пример (пример 15), подтверждающий, что квантовый максимум t_р для γ-излучения (D_γ 6 ˙ 10³ 6˙ 10⁴ рентген) не в состоянии обеспечить в случае легированных сталей значений К_ст 1.

Использование: для холодной и горячей механической обработки металлов, в частности для увеличения износотойкости режущего инструмента. Цель повышение износостойкости режущего инструмента, предупреждение возникновения остаточной радиоактивности, повышение эффективности способа за счет установления зависимости, связывающей ее с составами режущего инструмента и обрабатываемой инструментом стали. Сущность: предварительно обрабатываемую сталь металлургически легируют порознь или совместно хромом, марганцем, кобальтом, никелем и молибденом до концентраций, мас. хром не менее 12; марганец не менее 1,05; кобальт не менее 14, никель не менее 5, молибден не менее 6, в твердый сплав вводят кобальт, карбид титана, карбид тантала, и карбид ниобия так, что их суммарная концентрация составляет не менее 15 мас. Изготовленный из сплава инструмент подвергают воздействию доз α или g излучения в интервалах 4,0·10¹²-1,9·10¹³ см^-2 8,6·10⁷-1,3·10⁸ рентген. 2 табл.

СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК, включающий механическую обработку заготовок режущим инструментом из твердых сплавов на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой и добавками карбидов титана, тантала и ниобия, отличающийся тем, что обработке подвергают сталь содержащую (мас.) хрома не менее 12, марганца не менее 1,05, кобальта не менее 14, никеля не менее 5, молибдена не менее 5, и используют инструмент, изготовленный из твердого сплава с суммарным содержанием кобальта, карбида титана, карбида тантала и карбида ниобия не менее 15 мас. причем инструмент предварительно подвергают воздействию доз α- или γ излучения в интервалах 4,0·10¹² - 1,9·10¹³ см^-3, 8,6·10⁷ 1,3·10⁸ рентген соответственно.