СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТВЕРДОСПЛАВНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК C22C3/00 

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 карбида 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 карбида вольфрама путем имплантации ионов азота или гелия с энергией 150 кэВ [2]
Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама путем воздействия одним из видов электромагнитного излучения лазерным излучением [3]
Недостатками известных способов являются:
малая толщина покрытия, составляющая ≈ 10^o-10¹ мкм, ухудшение адгезии между материалом твердого сплава и покрытием при увеличении толщины последнего;
необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования - импульсного ускорителя ионов;
малое увеличение износостойкости (в 1,5 раза).

Цель настоящего изобретения большее по сравнению с прототипом увеличение износостойкости обработанных изделий из твердого сплава и вывод аналитической зависимости между параметрами режимов обработки и резания - дозой облучения D и скоростью резания V величинами, характеризующими состав, структуру и механические свойства изделия коэрцитивной силой H_c и коэффициентом стойкости K_ст.

Поставленная цель достигается тем, что длину волны рентгеновского или гамма-излучения выбирают в пределах от 1,234•10^-3 до 24,5, а дозу облучения D определяют по формуле
D=exp(aV-bH_c+cK_ст+d),
где V скорость резания;
H_c коэрцитивная сила;
K_ст требуемое значение коэффициента стойкости,
а положительные коэффициенты b и c и постоянные a и d находят опытным путем для изделий каждого класса.

Положительный эффект настоящего изобретения проявляется в том, что:
"износостойкое покрытие" обладает идеальной адгезией, так как 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, природных источников g-излучения, в частности Co⁶⁰, Cs¹³⁷;
износостойкость изделия из твердосплавного материала увеличивается до 4 раз и более по сравнению с прототипом благодаря использованию принципиально иного вида электромагнитного излучения.

Экспериментально установлено, что пластины, изготовленные из твердого сплава марки MC III, увеличивают свою износостойкость в 2,0-6,5 раз после воздействия g-излучения с энергией ≈ 0,5 МэВ и дозами от 6•10² до ≈ 1,0•10⁸ Р.

Пример. На Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость пластин, изготовленных из твердого сплава MC III. Пластины были подвергнуты воздействию g-излучения от природного источника Cs¹³⁷ с энергией ≈ 0,5 МэВ и дозами от 6•10² до ≈ 1,0•10⁸ Р. Обрабатываемый материал сталь 50. Обработка проводилась на станке IM63. Скорость резания V составляла 180, 215 и 220 м/мин, подача S 0,20 мин/об. глубина резания t 1,0 мин, т. е. испытания проводились по режиму изделий из твердого сплава MC 2210. Известно [4] что при величине подачи S ≥ 0,20 мм/об на износостойкости сказываются и прочностные свойства твердого сплава. Указанными условиями испытаний объясняются полученные результаты, излагаемые ниже. В табл. 1 приведены данные опытов.

На фиг. 1 показаны зависимости времени работоспособности исходных t_рэ и облученных g-квантами (t_pγ) пластин из сплава MC III от величины коэрцитивной силы H_c; на фиг. 2 зависимость коэффициента стойкости K_ст пластин из сплава MC III, облученных g-квантами, от величины коэрцитивной силы H_c; на фиг. 3 дозовые зависимости коэффициента стойкости K_ст пластин из сплава MC III, облученных g-квантами.

Математическая обработка результатов, представленных в табл. 1, позволила получить несколько аналитических выражений, связывающих между собой дозу облучения, состав, структуру, характеризуемые величиной коэрцитивной силы, и механические свойства пластин из твердого сплава MC III.

1. Зависимость времени работоспособности t_p от величины коэрцитивной силы H_c. На фиг. 1 представлена зависимость времени работоспособности исходных (эталонных в условиях испытаний) пластин из сплава MC III от величины коэрцитивной силы (кривая I). Из фиг. 1 ясно, что экспериментальные точки t_рэ= H_c с достаточно хорошей точностью ложатся на прямую линию, причем рост H_c сопровождается падением. Подобная зависимость, как следует из [4, с. 490] характерна для таких режимов резания, при которых на величину износа оказывают влияние не только твердость, но и (в большей степени) прочностные свойства твердого сплава. Принимая, что в интервале скоростей резания V 180-215 м/мин t_рэ является также и линейной функцией, получаем, что
t_рэ aV + bH_c + c. (1)
Для случая, представленного в табл. 1, решение системы трех линейных уравнений с тремя неизвестными позволило определить коэффициенты a, b и постоянную c: c 119,5 мин.

На фиг. 1 приведена также зависимость времени работоспособности облученных γ-квантами пластин сплава MC III от величины коэрцитивной силы. Как ясно из фиг. 1, не имеется четкой зависимости времени работоспособности облученных пластин (t_pγ) от величины H_c: на фиг. 1 проведен ряд прямых (2-5), проходящих через некоторые из экспериментальных точек и имеющие как отрицательные, так и положительные наклоны.

2. Зависимость коэффициента стойкости от величины коэрцитивной силы. Расчетом по формуле (1) были найдены эталонные значения времени работоспособности t_рэ, отвечающие значениям коэрцитивной силы измерения на облученных пластинах. Поскольку значения коэрцитивной силы в пределах точности измерений не изменяются после облучения g-квантами (табл.2), найденные значения t_рэ использовались для вычисления коэффициента стойкости где индекс "э" соответствует исходным, а индекс g - облученным пластинам. Результаты расчета значений t_рэ и K_ст представлены в табл. 3. По данным табл. 3 построена зависимость K_ст как функции от H_c (фиг. 2) в виде
K_ст AH_c+B, (5)
где B -3,21.

3. Зависимость коэффициента стойкости от дозы облучения. В табл.3 приведены также значения дозы облучения и ее логарифма, отвечающих рассчитанным значениям. По этим данным на фиг. 3 построены графики K_ст как функции lg D. Как следует из фиг. 3, графики имеют вид
K_ст C lg D + E. (6)
В формуле (6) и последующих формулах логарифм берется от безразмерной величины, т.е. D как бы разделено на D_o≡ 1 Р. Однако эти линейные зависимости имеют разрыв и на фиг. 3 видны две прямые: одна отвечает интервалу H_c 9,5-9,7 кА/м; другая интервалу H_c 10,6-10,7 кА/м. Найдены следующие значения C и E:
прямая 1: C 0,441; E 0,2; 9,5 кА/м ≅ H_c ≅ 9,7 кА/м;
прямая 2: C 0,253; E 5,34; 10,6 кА/м ≅ H_c ≅ 10,7 кА/м.

Итак, величина K_ст зависит, в первую очередь, от значения коэрцитивной силы, измеренной на облучаемой пластине, а во вторую очередь, - от дозы облучения. Указанное обстоятельство позволяет резко повысить износостойкость пластин с высокими значениями H_c, применяя малые дозы облучения.

4. Зависимость коэффициента стойкости от скорости резания, величины коэрцитивной силы и дозы облучения. Поскольку, как следует из пп. 2 и 3, коэффициент стойкости K_ст является линейной функцией от величины H_c и логарифмической функцией от дозы облучения, имеется возможность определить K_ст через V, H_c и lg D, т.е. представить K_ст в виде
K_ст AV + BH_c + C lg D + E. (7)
В выражении (7) A имеет размерность мин/м, B м/кА, C и E безразмерны. Воспользовавшись данными табл. 3, соответствующими прямой 1 фиг. 3, получаем систему четырех линейных уравнений с четырьмя неизвестными:
180A + 9,5B + 4,778C + E 2,35;
180A + 9,6B + 8,858C + E 2,95;
215A + 9,7B + 6,936C + E 3,22;(8)
215A + 9,7B + 7,936C + E 3,54.

Решая систему (8) обычными методами, получаем:
A -0,0101; B 2,55; C 0,32; E -21,56.

Как следует из п. 3 логарифмической зависимости K_ст f(lg D), прямой 2 фиг. 3 свойственны другие значения постоянных, чем прямой 1. Поэтому, определяя K_ст для прямой 2 и используя найденные коэффициенты A, B, C, E, получаем отличающиеся от экспериментальных данных в меньшую сторону на 1-2 значения K_ст.

Возможно, что это связано с несколькими иными условиями проведения испытания при V 220 м/мин, например, другой твердостью заготовки или тем, что формула (1) плохо "работает" при H_c 10,6-10,7 кА/м.

Преобразуя уравнение (7), находим явное выражение через V, H_c и K_ст:
D exp(aV bH_c + cK_ст + d), (9)
где
Найденные эмпирические зависимости K_ст от V, H_c и D (формулы (7) и (9)), позволяют утверждать, что обоснована возможность управления механическими свойствами изделия из твердого сплава путем γ-облучения. Действительно, выбирая изделия с высокими внутри технологического интервала значениями H_c и подвергая их воздействию малых и сверхмалых доз g-излучения, можем получить высокие значения K_ст. Иными словами, найдена возможность существенного повышения износостойкости изделий из твердосплавного материала, обладающих после изготовления низкими значениями износостойкости или даже забракованными вследствие низкого значения K_ст.

Интервал длин волн (энергий квантов) излучения, входящие в формулу изобретения, получен исходя из следующих соображений.

Экспериментально установлено на примере режущих пластин из твердосплавного материала на основе карбида 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. Отсюда следует, что область применения предлагаемого способа охватывает не только твердые сплавы на основе карбида вольфрама, но и другие твердые сплавы, например, нитрид бора, нитриды и карбиды титана, керамику и т.д. Поскольку указанные материалы обладают различным элементным составом и разными физическими, химическими и механическими свойствами, увеличение их износостойкости может быть достигнуто при воздействии иных, отличных от найденных на твердых сплавах на основе карбида вольфрама, значений длины волны (энергии кванта) излучения.

Нижний предел длины волны (верхний предел энергии кванта) g-излучения определен из сравнения энергетических порогов различных эффектов (фотоэффект, комптон-эффект), приводящих к ионизации (удалению электронов из атомов облучаемого вещества), и конкурирующего процесса рождения пар (электрон и позитрон), обусловленного взаимодействием g-излучения с ядрами атомов вещества и не вносящего какого-либо вклада в удаление электронов с оболочкой атомов. Верхняя граница комптон-эффекта превосходит верхнюю границу фотоэффекта и составляет приблизительно 360 МэВ [5, рис.8.7] Однако нижний порог конкурирующего процесса рождения пар равен 1,02 МэВ [5, с.404] т. е. значительно более низкой энергии. Его вклад в поглощение становится равным вкладу в поглощение благодаря комптон-эффекту, начиная с энергией в несколько МэВ. Вследствие того, что выше этих энергий коэффициент поглощения либо начинает возрастать (для тяжелых элементов), либо практически перестает убывать (для легких элементов), целесообразно в качестве верхнего предела энергии в формуле изобретения принять величину E_в, при которой вклад комптон-эффекта в рассеяние максимален, а кривая поглощения имеет минимум [5, с. 405-406, рис. 8.9] Поскольку эта величина меньше для тяжелых, а больше для легких элементов, выбираем для E_в максимальное значение, равное 10 МэВ. Отсюда нижнее значение длины волны Подчеркнем еще раз, что при наличии соответствующего оборудования возможно использование и интервала 10-360 МэВ ) но в нем может потребоваться увеличение дозы облучения вследствие роста коэффициента поглощения в тяжелых элементах и уменьшения КПД комптон-эффекта.

Верхний предел длины волны (нижний предел энергии кванта) излучения определен из практического критерия: толщина образующегося "износостойкого покрытия" (т.е. толщина образующегося в результате облучения приповерхностного слоя с измененными свойствами большей износостойкости) не должна быть менее 1 мкм, т.е. должна быть сравнима с минимальной толщиной специально создаваемых износостойких покрытий [1] Точнее, глубина проникновения излучения в твердый сплав должна быть не менее 1 мкм. За нижний предел энергии кванта (верхний предел длины волны рентгеновского излучения) примем энергию, при которой глубина проникновения излучения в легкий твердый сплав-нитрид бора BN равна 1 мкм. Согласно [6] линейный коэффициент истинного поглощения рентгеновских лучей определяется выражением

где Z число электронов в атоме (порядковый номер элемента);
N число Авогадро;
A атомный вес элемента;
(τ_e)_K электронный коэффициент истинного поглощения.

Воспользовавшись таблицей [6, с.29] где приведены значения (τ_e)•N в функции от Zλ и полагая τ = 10⁴ см^-1, получаем из (10) и таблицы [6, с.29] что
Источники, принятые во внимание при составлении описания
1. Производство МКТС Т2-48-19-310-80.

2. Плешивцев Н.В. Козьма А.А. Соболь О.В. Панасенков А.А. Сидоров П.П. Влияние ионной имплантации на характер износа поверхности твердого сплава. Поверхность. Физика, химия, механика, 1991, N 3, с. 136-141.

3. Подураев В. Н. Диваев А. В. Сенченко А.Э. Шемаев Б.В. Упрочнение твердосплавного режущего инструмента лазерным и радиационным излучением. -Станки и инструмент, 1990, N 9, с. 19-20 (прототип).

4. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. Изд.2-е, перераб. и доп. М. Металлургия, 1976, 527 с.

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

6. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М. ГИФМЛ, 1961, 864 с.

Использование: в машиностроении, в частности в способе обработки изделий из твердых сплавов, преимущественно холодной и горячей обработкой. Сущность изобретения: для увеличения износостойкости и вывода аналитической зависимости между параметрами режимов обработки и резания - дозой облучения D и скоростью резания V - и величинами, характеризующими состав, структуру и механические свойства изделия - коэрцитивной H_c и коэффициентом стойкости K_ст способ предусматривает выбор длины волны рентгеновского или гамма-излучения в пределах 1,234•10^-3 до 24,5 и дозы облучения D по формуле D = exp(aV - bH_c + cK_ст + d), где V - скорость резания, H_c - коэрцитивная сила, положительные коэффициенты b и c и постоянные a и d находят опытным путем для изделий каждого класса; K_ст - требуемое значение коэффициента стойкости. 3 ил. , 3 табл.

Способ обработки изделий из твердосплавного материала путем воздействия электромагнитного излучения, отличающийся тем, что длину волны рентгеновского или гамма-излучения выбирают в пределах от 1,234•10^-3 25,5 , а дозу облучения D определяют по формуле
D exp(a•V b•H_c+c•K_с т + d),
где V скорость резания;
Н_с коэрцитивная сила;
К_с т требуемое значение коэффициента стойкости,
а положительные коэффициенты b и с и постоянные a и d находят опытным путем для изделий каждого класса.