СПОСОБ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН 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 E_o 6,3 МэВ, поток Φ = 4•10¹⁴ см^-2) [3]
Недостатками известных способов являются: малая толщина покрытия, составляющая ≈ 10^o-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 аналитической зависимости между параметром режима обработки дозой облучения и максимумами времени работоспособности обработанной режущей пластины.

Поставленная цель достигается тем, что воздействие ведут гамма-излучением, дозы которого, обеспечивающие максимальные значения времени работоспособности обработанной пластины t_p определяют по одной из следующих зависимостей:

где D₁ и D>₂ дозы облучения, выраженные в рентгенах и соответствующие первому (квантовому) и второму (энергетическому) максимумам t_p, Е энергия гамма-излучения (в МэВ), E_o начальная энергия протонов (в МэВ) и Φ поток пучка протонов (в см^-2), определяемые экспериментально, 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.

Целью предлагаемого изобретения является также упрощение расчетной формулы. Поставленная цель достигается тем, что дозу D₂ для твердых сплавов на основе монокарбида вольфрама определяют по приближенной формуле

Поставленная цель достигается также тем, что дозу D₂ для твердых сплавов, обладающих диэлектрическими свойствами, определяют по приближенной формуле

Положительный эффект настоящего изобретения проявляется в том, что "износостойкое покрытие" обладает идеальной адгезией, т.к. является частью матрицы изделия из твердосплавного материала, а его толщина определяется энергией γ-излучения и может составлять до ≈ 10^-1-10^o см; появляется возможность использования простого оборудования, например изотопов источников g-излучения; в частности ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs с энергиями g-квантов (0,5-1,2 МэВ), не вызывающими наведения остаточной радиоактивности в твердосплавном материале.

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Экспериментально установлено на примере режущих пластин из твердосплавных материалов на основе монокарбида вольфрама, что при облучении их 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. В частности, облучение протонами и воздействие g-квантами связаны между собой следующими аналитическими зависимостями.

Первый максимум времени работоспособности t_p обусловлен одинаковым количеством протонов или g-квантов, падающих на 1 см² поверхности изделия из твердого сплава. Назовем его квантово-корпускулярным. Поскольку доза облучения (D) g-квантами, выраженная в рентгенах, связана простой алгебраической зависимостью с плотностью потока квантов (фотонов) (N) [4]
N (фотонов/см²) 2•10⁹/E (МэВ)•D (рентген),
где Е энергия g-излучения в МэВ, то из равенства N и F - потока протонов следует, что
D(p)= 5•10^-10 E(МэВ)•Φ
Второй (энергетический) максимум времени работоспособности обусловлен равенством энергий, выделяющейся при облучении изделия из твердого сплава протонами или g-квантами. Вывод выражения, связывающего между собой дозу облучения D g-квантами и поток протонов, в этом случае 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 F.

где E_o начальная энергия протонов, ρ плотность вещества, R полный пробег протонов в веществе.

2. Поскольку формула (3) 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 (3) заменяется иной:

где 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_i пробег заряженной частицы в i-м элементе твердого сплава.

3. Пробег протонов в веществе определяют по формуле:

для BN и Al₂O₃ (7"')
Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом.

1. Предварительно экспериментально по известной методике [3] определяют значения энергии (E_o) и потока (Φ) пучка протонов, обеспечивающие максимальные значения времени работоспособности режущей пластины (t_p) или срока ее службы количества обработанных деталей (N_дет) до выхода пластины из строя (например, резкое ухудшение чистоты поверхности обрабатываемой детали).

2. По формулам (2), приближенной (7") и, в случае необходимости, строгой (6) определяют значения D₁ и D₂.

3. Облучают режущие пластины, изготовленные из требуемого твердого сплава, дозами g-квантов, равными D₁ и D₂.

4. Проводят лабораторные испытания на износостойкость и (или) производственные испытания на срок службы и определяют значения максимумов времени работоспособности (t_p) или количества изготовленных деталей (N_дет), отвечающие значениям D₁ и D₂.

5. Из соображений технической или экономической целесообразности выбирают либо значение D₁, либо значение D₂ для потребностей серийного или массового производства.

Пример. Необходимо увеличить износостойкость и срок службы режущих пластин из твердого сплава марки МС 111. Выбираем в качестве E_o значение, приведенное в прототипе [3] т.е. E_o 6,3 МэВ. С целью уточнения значения F для твердого сплава МС 111 проводим предварительные испытания на срок службы режущих пластин из этого сплава, облученных протонами. Пластины были облучены протонами на циклотроне НИИЯФ МГУ. Энергия протонов Е_o 6,3 МэВ, поток F варьировался в интервале от 1•10¹⁴ см^-2 до 4•10¹⁴ см^-2.

Испытания проведены на Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского"
Обрабатываемая деталь КРН03604, материал заготовок сталь 45Г2. Обработка проводилась в цехе N 21 на гидрокопировальном 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. Максимальное значение N_дет/N_{дет.макс} наблюдается при Φ = 3•10¹⁴ см^-2.

Расчет D₁ и D₂ по формулам (2), (7") и (6) при использовании значений Е_o 6,3 МэВ и Φ = 3•10¹⁴ см^-2 дает D₁ ≈ 7,5•10⁴ рентген, D'₂ ≈ 6,6•10⁷ рентген, D"₂ 8,3•10⁷ рентген. Облучаем далее три режущих пластины из твердого сплава МС 111 дозами γ-квантов, равными D₁, D'₂ и D"₂.

Проводим затем испытания облученных пластин. В рассматриваемом случае лабораторные испытания на износостойкость проводили на Московском комбинате сплавов (МКТС) при следующих условиях: обрабатываемый материал сталь 50. Скорость резания составляла 220 м/мин, подача S 0,20 мм/об. глубина резания t 1,0 мм. Очевидно, во-первых, что при всех рассчитанных значениях D коэффициент стойкости больше трех. Во-вторых, ясно, что различие между значениями K_ст при дозах D₁, D'₂ и D"₂ не столь велико (3,2; 4,4 и 4,5), чтобы оправдать увеличение времени облучения (t_обл) почти на три порядка. Оценим величину t_обл для доз D₁ и D"₂. Например, при интенсивности гамма-излучения, равной 10² Р/c, доза D₁ может быть набрана за 10³ с ≈ 16,7 мин, а доза D"₂ за 8,3•10⁵ с, т. е. почти за 10 суток. В-третьих, максимум K_ст (4,5) соответствует значению D"₂, найденному по точной формуле (6), а значение K_ст, определенное по приближенной формуле (7"), т.е. 4,4, отличается от максимума всего лишь на 2,2% Поэтому для экспресс-оценки величины D₂ можно пользоваться приближенной формулой (7").

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 квантовый и энергетический максимумы 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, С.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.

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

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

На режущие пластины воздействуют гамма-излучением, дозы которого, обеспечивающие максимальные значения времени работоспособности изделия, определяют по предложенным зависимостям. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ обработки режущих пластин из твердых сплавов путем воздействия ионизирующей радиации, отличающийся тем, что воздействие ведут гамма-излучением, дозы которого, обеспечивающие максимальные значения времени работоспособности изделия, определяют по одной из следующих зависимостей:
D₁= 5•10^-10 E•Φ,

где D₁ и D₂ дозы облучения, соответствующие первому (квантовому) и второму (энергетическому) максимумам кривой времени работоспособности изделия, рентген;
Е энергия гамма-излучения, МэВ;
E₀ начальная энергия протонов, определяется экспериментально МэВ;
Φ поток пучка протонов, определяемый экспериментально, см^-2;
х_i, Z_i, А_i концентрация i-го элемента в твердом сплаве, 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 дозу D₂ определяют из следующей зависимости:

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для твердых сплавов, обладающих диэлектрическими свойствами, дозу D₂ определяют из следующей зависимости: