СПОСОБ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 1996 года по МПК B22F3/24 C23C14/28 

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

Известен способ [1] увеличения износостойкости твердосплавного режущего инструмента на основе монокарбида вольфрама путем нанесения износостойкого покрытия, состоящего, например, из карбидов или нитридов титана. Способ позволяет увеличить износостойкость твердосплавного режущего инструмента в несколько раз.

Известен также способ увеличения износостойкости твердосплавного режущего инструмента на основе монокарбида вольфрама путем имплантации ионов азота или гелия из импульсного источника [2]
Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки твердосплавного режущего инструмента на основе монокарбида вольфрама путем воздействия одним из видов ионизирующей радиации пучком протонов высоких энергий (энергия протонов Е_o 6,3 МэВ, поток Ф 4 • 10¹⁴ cм^-2) [3]
Недостатками известных способов являются малая толщина покрытия, составляющая ≈10⁰ 10¹ мкм, и ухудшение адгезии между материалом твердого сплава и покрытием при увеличении толщины последнего; необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования - импульсного ускорителя ионов; необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования ускорителя заряженных частиц высоких энергий (циклотрона); остаточная радиоактивность обработанных изделий, большая длительность процесса облучения порядка нескольких часов.

Целью настоящего изобретения является предупреждение возникновения остаточной радиоактивности, повышение экономичности способа и установление зависимости между параметром режима обработки потоком заряженных частиц и максимумами времени работоспособности обработанного инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что воздействие ведут α-частицами высоких энергий, поток которых, обеспечивающий максимальные значения времени работоспособности обработанного инструмента t_р, определяют по одной из следующих зависимостей:

Ф_α2≈ Ф_γ1,
где Ф_α1 и Ф_α2 потоки α-частиц, соответствующие первому (энергетическому) и второму (корпускулярному) максимумам t_р, D_γ и Ф_γ1 - соответствующие доза и поток γ-излучения, определяемые экспериментально, E_oα максимальная энергия a-частиц, x_i, Z_i, A_i - концентрация i-го элемента в твердом сплаве в атомных процентах, его порядковый номер и атомный вес, N число элементов в твердом сплаве, D_γ выражено в рентгенах, Ф_α и Ф_γ1 в см^-2, E_0α в МэВ.

Целью настоящего изобретения является также упрощение расчетной формулы. Поставленная цель достигается тем, что поток Ф_α1 определяют по приближенной формуле, пригодной для сплавов на основе монокарбида вольфрама:

Поставленная цель достигается также тем, что поток Ф_α1 определяют по приближенной формуле, пригодной для TiC, BN и Al₂O₃:

Положительный эффект настоящего изобретения проявляется в том, что появляется возможность использования простого оборудования, например изотопов-источников a-излучения: в частности ²¹⁰Po, ²³⁸Pu с энергиями a-частиц порядка нескольких МэВ, не вызывающих наведения остаточной радиоактивности в твердосплавном материале, в том, что появляется возможность существенно уменьшить время воздействия.

На фиг. 1-3 представлены дозовые зависимости времени работоспособности и срока службы режущих пластин из твердого сплава МС 111, облученных g-квантами.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Предлагаемое изобретение основано на экспериментально установленной нами на примере режущих пластин из твердосплавных материалов на основе монокарбида вольфрама качественной закономерности. Она состоит в том, что при облучении режущих пластин протонами и a-частицами высоких энергий и g-квантами действует один и тот же механизм увеличения износостойкости - ионизационный, обусловливающий разрыв напряженных связей в материале. Общий механизм увеличения износостойкости подтверждается наличием количественных закономерностей, связывающих три вида ионизирующей радиации.

Так, облучение протонами и воздействие g-квантами связаны между собой следующими аналитическими зависимостями.

Первый (квантово-корпускулярный) максимум времени работоспособности t_р обусловлен одинаковым количеством протонов или g--квантов, падающих на 1 см поверхности изделия из твердого сплава. Т.е. существует простая закономерность
Ф_γ==Ф_p, (1)
где Ф_γ и Ф_p количество фотонов (g-квантов) и протонов, падающих на 1 см² поверхности изделия из твердого сплава. Поскольку доза облучения g-квантами (D_γ), выраженная в рентгенах, связана простой алгебраической зависимостью с плотностью потока квантов (фотонов) [4]

E_γ энергия g-излучения в МэВ, то из равенств (1) и (2) следует, что
D_γ(p) = 5•10^-10E_γ(МэВ)•Ф_p. (3)
Второй (энергетический) максимум времени работоспособности обусловлен равенством энергий, выделяющихся при облучении изделия из твердого сплава протонами или γ-квантами, т.е.

E_γ= E_p, (4)
где E_γ и E_p энергия (поглощенная доза), выделяющаяся в 1 г вещества при облучении его потоком g-квантов (Ф_γ) или протонов (Ф_p). По определению
E_γ= D_γ, (5),
т.е. равна дозе облучения g-квантами.

Величина E_p найдена нами теоретически. Вывод выражения, определяющего E_p, достаточно громоздок. Поэтому ниже мы приведем лишь схему вывода.

1. Исходным является выражение для энергии (поглощенной дозы), выделяющейся в 1 г вещества при облучении его потоком протонов Ф_p:

где Е_op начальная энергия протонов, ρ плотность вещества, R_p полный пробег протонов в веществе.

2. Поскольку формула (6) относится к одному из простых веществ - элементов Периодической системы Менделеева, а твердосплавные материалы состоят из ряда элементов (W, C, Co, Ti, Ta, Nb), то формула (6) заменяется иной:

N число элементов в твердом сплаве, x_i концентрация i-го элемента в твердом сплаве в атомных процентах, ρ_i плотность i-го элемента твердого сплава, R_pi пробег протонов в i-том элементе твердого сплава.

Пробег протонов в веществе определяют по формуле

где ионизационные потери энергии при пробеге протона в i-том элементе твердого сплава, определяемые формулой Бете [5,6] пригодной для легких частиц (протонов, дейтронов и α-частиц) с энергией, превышающей 1 МэВ. Поэтому под верхним пределом интеграла (8) E_нip следует понимать величину, равную 1 МэВ, т.е. E_нip≡ 1МэВ.

4. Интеграл (8) вычисляется не точно, а приближенно с помощью теоремы о среднем значении определенного интеграла.

В результате получаем формулу

где Z_i порядковый номер i-го элемента твердого сплава, A_i - атомный вес i-го элемента твердого сплава, E_оp выражено в МэВ, Ф_p - в см^-2, а D_p в рентгенах.

5. Поскольку величины для различных твердых сплавов весьма близки друг другу (см. таблицу 1), то величину заменяют ее средними значениями. Они равны 0,472 для сплавов на основе монокарбида вольфрама, нитрида бора (BN) и керамики (Al₂O₃); 0,459 для сплавов на основе монокарбида вольфрама; 0,487 для BN и Al₂O₃. Тогда формула (9) упрощается и принимает вид

в общем случае,

для сплавов на основе монокарбида вольфрама,

для TiC, BN и Al₂O₃.

В свою очередь облучение протонами и α-частицами высоких энергий связаны между собой следующим аналитическими зависимостями.

Первый (энергетический) максимум времени работоспособности t_р определяется равенством энергий, выделяющихся в 1 г изделия из твердого сплава при облучении его протонами и a-частицами. Вывод выражения, связывающего между собой энергии и потоки протонов и a-частиц, достаточно громоздок. Поэтому ниже мы приводим лишь схему вывода. В этой схеме первые четыре пункта тождественны вышеприведенным с тем лишь отличием, что выражения для D_p и D_α записываются в несколько иной форме:

где

a_o, E_R, N_Av, m_o физические константы, Z_p(α) - порядковые номера атомов водорода (p) и гелия (α), M_p(α) массы ядра атомов водорода (p) и гелия (α), D_p(α) выражены в рентгенах.

6. Формула (11) симметрична его отношению к протонам и α-частицам. Поэтому из условия равенства D_p и D_α получаем

откуда

Поскольку a_α= 16a_p(Z_p=1,Z_α= 2,M_α= 4M_p, то окончательно получаем

или

Второй (корпускулярный) максимум определяется из условия равенства потоков протонов и a-частиц, оказывающих эквивалентное воздействие на изделие из твердого сплава, т.е.

Ф_α2≈ Ф_p. (16)
Теперь появляется возможность установить связи между потоками γ-квантов и a-частиц. Действительно из формул (1) и (16) сразу находим, что
Ф_γ= Ф_α2 (17)
или
D_γ(p) = 5•10^-10E(МэВ)Ф_α2. (18)
Аналогично из формул (4), (5), (9) и (15) получаем

Очевидно, что из (19) сразу же следует обратное соотношение:

Учитывая формулы (10), (10') и (10''), получаем три приближенных соотношения:

в общем случае,

для сплавов на основе монокарбида вольфрама,

для TiC, BN и Al₂O₃.

Выражения (17), (18), (20) и (21), как и приведенные ранее выражения (1)-(3), (9) и (10), имеют эвристическую ценность, т.е. они позволяют найти оптимальные режимы облучения одним из видов ионизирующей радиации, если известны оптимальные режимы другого ее вида.

Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом.

1. Для определения величин Ф_γ1 и D_γ предварительно проводят лабораторные испытания на износостойкость или производственные испытания на срок службы режущих пластин из твердых сплавов, облученных g-квантами, и определяют максимумы коэффициента стойкости по известной методике. Затем по формуле (2) переводят дозы g-излучения, соответствующие квантовому (корпускулярному) максимуму, в поток g-квантов.

2. По формулам (17), (20), (21) определяют потоки a-частиц.

3. Облучают режущие пластины, изготовленные из требуемого твердого сплава, потоками a-частиц, равными Ф_α1, и Ф_α2.

4. Проводят лабораторные испытания на износостойкость и (или) производственные испытания на срок службы и определяют значения максимумов времени работоспособности (t_р) или количества изготовленных деталей (N_дет), отвечающие значениям Ф_α1, и Ф_α2.

5. Из соображения технической или экономической целесообразности выбирают либо значение Ф_α1, либо значение , либо значение Ф_α2 для потребностей серийного или массового производства.

Пример. Необходимо увеличить износостойкость и срок службы режущих пластин из твердого сплава марки МС 111 посредством облучения их α-частицами от источника-плутония ²³⁸Pu (E_0α≈ МэВ).

Предварительно проводим испытания режущих пластин из твердого сплава МС 111, облученных g-квантами, на износостойкость или срок службы и определяем величины Ф_γ1 и D_γ.

Определение величины D_γ было проведено в результате производственных испытаний на срок службы режущих пластин, изготовленных из твердого сплава МС 111, на Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского".

Пластины были подвергнуты воздействию g-излучения от источника ¹³⁷Cs с энергией ≈0,5 МэВ. В первой серии опытов дозы варьировались в интервале ≈1•10⁸ 2,5•10⁸ рентген, а во второй в интервале ≈1•10⁷ 1,4•10⁸ рентген.

Обрабатываемая деталь КРНО3604, материал заготовок сталь 45Г2. Обработка проводилась в цехе N 21 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. Зависимости нормированного срока службы (N_дет/N_{дет.макс}) от дозы облучения представлены в таблицах 2 и 3 и на фиг. 1 (кривые 1 и 2). Максимуму обработанных деталей N_{дет.макс.} соответствуют дозы ≈8,6•10⁷ рентген (табл. 2 и кривая 1 фиг. 1) и 1,04•10⁸ рентген (табл. 3 и кривая 2 фиг. 1).

Итак, найденная в результате этих испытаний величина D_γ ≈ 8,6•10⁷ 1,04•10⁸ рентген.

Определение величин Ф_γ1 и D_γ было проведено также в результате лабораторных испытаний на износостойкость режущих пластин, изготовленных из твердого сплава МС 111, на Московском комбинате твердых сплавов (МКТС). Пластины были подвергнуты воздействию g-излучения от источника ¹³⁷Cs c энергией ≈ 0,5 МэВ и дозами от 6•10² до ≈ 1•10⁸ рентген. Обрабатываемый материал сталь 50. Обработка проводилась на станке модели 1М63. Скорость резания V составляла 180, 215 и 220 м/мин, подача s 0,20 мм/об. глубина резания t 1 мм. Зависимость нормированного времени работоспособности (t_р/t_р.макс) от дозы облучения представлена в таблице 4 и на фиг. 1 (кривая 3). На кривой 3 наблюдаются два максимума: один соответствует дозе 6•10⁴ рентген, второй дозе ≈ 8,6•10⁷ рентген.

Итак, найденные в результате этих испытаний величины D_γ1 и D_γ2 равны соответственно D_γ1 6•10⁴ рентген, D_γ2 8,6•10⁷ рентген.

Пользуясь формулой (2), легко находим, что Ф_γ1 2,4•10¹⁴ см^-2.

Таким образом, Ф_γ1 2,4•10¹⁴ cм^-2, D_γ 8,6•10⁷ 1,04•10⁸ рентген.

Воспользовавшись формулой (20) и учитывая (табл. 1), что величина 0,466 для твердого сплава МС 111, находим, что Ф_α1 (2,47-2,98)•10¹³ см^-2 ≈ (2,5-3)•10¹³ см^-2.

Итак, окончательно
Ф_α1 ≈ (2,5-3>•10¹³ см^-2, Ф_α2 2,4•10¹⁴ см^-2.

Облучаем далее три режущие пластины, изготовленные из твердого сплава МС 111, потоками α-частиц, равными 2,5•10¹³ см^-2, 3•10¹³ см^-2 и 1,1•10¹⁴ см^-2. Последняя величина была выбрана вместо расчетной (2,4•10¹⁴ см^-2) вследствие необходимости весьма больших временных экспозиций для ее достижения.

Далее проводим испытания на срок службы там же и при тех же условиях, которые были изложены выше. Результаты испытаний представлены в таблице 5. Очевидно, что энергетический максимум Ф_α (Ф_α1 ≈ (2,5-3)•10¹³ см^-2) обеспечивает значительно меньшее повышение коэффициента стойкости (К_cт ≈ 1,4), чем корпускулярный (Ф_α2 2,4•10¹⁴ см^-2, К_ст ≈ 2), тем более что из-за технических сложностей это значение не было реализовано в полной мере (на опыте Ф_α2 1,1•10¹⁴ см^-2). Итак, на практике имеет смысл использовать значение Ф_α2 1,1•10¹⁴ см^-2.

Закономерности, изложенные выше, доказаны на примере режущих пластин, изготовленных из твердого сплава на основе монокарбида вольфрама. Однако в связи с тем, что ионизационный механизм, о котором подробно говорилось выше, действует на различные материалы, указанные закономерности, определяющие квантово-корпускулярный и энергетический максимум, справедливы и для таких материалов, как нитрид бора и керамика.

Источники, принятые во внимание при составлении описания
1. Производство МКТС ТУ-48-19-310-80.

2. Влияние ионной имплантации на характер износа поверхности твердого сплава. Н.В. Плешивцев, А.А. Козьма, О.В. Соболь и др. //Поверхность. Физика, химия, механика. 1991, N 3, c.136-141.

3. Упрочнение твердосплавного режущего инструмента лазерным и радиационным излучением. В.Н. Подураев, А.В. Диваев, А.Э. Сенченко. Б.В. Шемаев // Станки и инструмент. 1990, N 9, с. 18-20 (прототип).

4. Широков Ю.М. Юдин Н.П. Ядерная физика. М. Наука, 1972, 672 с.

5. Мейер Дж. Эриксон Л. Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников. М. Мир, 1973, 296 с.

6. Кюри М. Радиоактивность. М. Гостехиздат, 1947, 520 с.

Способ обработки режущего инструмента заключается в том, что на него воздействуют α-частицами высоких энергий, поток которых, обеспечивающий максимальные значения времени работоспособности обработанного инструмента t_р, определяют по одной из следующих зависимостей:

где Ф_α1 и Ф_α2 - потоки α-частиц, соответствующие первому (энергетическому) и второму (корпускулярному) максимумам t_р, D_γ и Ф_γ1 - соответствующие дозы и поток γ-излучения, определяемые экспериментально, E_0α - максимальная энергия a-частиц, х_i, Z_i, A_i - концентрация i-го элемента в твердом сплаве в атомных процентах, его порядковый номер и атомный вес, N - число элементов в твердом сплаве, D_γ выражено в рентгенах, Ф_α1 и Ф_γ - в см^-2, E_oα - в МэВ.

Для сплавов на основе монокарбида вольфрама поток a-частиц определяют по приближенной формуле

Для сплавов на основе карбида титана, нитрида бора, окиси алюминия поток a-частиц определяют по приближенной формуле

2 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 ил.

1. Способ обработки режущего инструмента из твердых сплавов путем воздействия ионизирующей радиации, отличающийся тем, что воздействие ведут α- частицами высоких энергий, поток которых, обеспечивающий максимальные значения времени работоспособности инструмента, определяют по одной из следующих зависимостей:

где потоки α-частиц, соответствующие первому (энергетическому) и второму (корпускулярному) максимумам кривой времени работоспособности инструмента, см^- 2;
поток гамма-квантов, соответствующий квантовому максимуму времени работоспособности инструмента, определенный экспериментально, см^- 2;
D_γ доза облучения гамма-квантами, соответствующая энергетическому максимуму времени работоспособности инструмента, определяемая экспериментально, рентген;
максимальная энергия a-частиц, МэВ;
x_i, Z_i, A_i соответственно концентрация i-го элемента в твердом сплаве в ат. его порядковый номер и атомный вес;
N число элементов в твердом сплаве. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для сплавов на основе монокарбида вольфрама поток a-частиц определяют из следующей зависимости:

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для карбида титана, нитрида бора и окиси алюминия поток a-частиц определяют из следующей зависимости:
.