СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ Российский патент 1997 года по МПК B22F3/24 C23C14/28 

Изобретение относится к машиностроению, 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 ≈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 изобретения является предупреждение возникновения остаточной радиоактивности, повышение экономичности способа и установление зависимостей между параметром режима обработки потоком облучения и максимума времени работоспособности обработанного изделия.

Цель достигается тем, что воздействие ведут a- частицами высоких энергий, поток которых, обеспечивающий максимальные значения t_p, определяют по формуле:

где
t_p время работоспособности обработанного изделия;
Φ_α1 и Φ_α2 потоки α-частиц, соответствующие первому (энергетическому) и второму (корпускулярному) максимумам t_p;
E_Oα энергия a-частиц;
E_op и F_p начальная энергия в МэВ и поток пучка протонов, оказывающего эквивалентное действие на твердосплавный материал, которые определяют опытным путем либо из литературных данных.

Положительный эффект изобретения проявляется в том, что "износостойкое покрытие" обладает идеальной адгезией, так как является частью матрицы изделия из твердосплавного материала, а его толщина определяется энергией α-частиц и может составлять до ≈10¹-10² мкм; появляется возможность использования простого экономичного оборудования, например, природных источников a-частиц, в частности Pu²³⁸ с энергией a-частиц ≈5 МэВ, не вызывающей наведения остаточной радиоактивности в твердосплавном материале.

Экспериментально установлено, что пластины, изготовленные из твердых сплавов марок Т15К6 и МС 111, увеличивают свою износостойкость и срок службы до 5 раз после воздействия a-частиц с энергией ≈5 МэВ и 25 МэВ и потоками (F) от 1•10¹² до 2•10¹⁴см^-2, причем максимум времени работоспособности t_p достигался дважды: при F1,4•10¹³ см^-2 и в интервале F (1-2)•1¹⁴ см^-2.

На фиг. 1 показана зависимость времени работоспособности пластин из сплавов Т15К6 и МС 111 от потока a-частиц различных энергий; на фиг. 2 - зависимость времени работоспособности пластин из сплава Т15К6 и МС 111 от потока протонов.

Пример 1. В Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки МС 111. Пластины были подвергнуты облучению a-частицами от природного источника плутония (Pe²³⁸) с потоками от ≈1•10¹⁰ см^-2 до 1,4•10¹³ см^-2. Обрабатываемый материал - сталь 50. Обработка проводилась на станке модели 1 М63. Скорость резания V составляла 180, 215 и 220 м/мин, подача S 0,20 мм/об, глубина резания n 1,0 мм. Зависимость нормирования времени работоспособности (t_p/t_pмакс) от потока a-частиц представлена в табл. 1 и на фиг. 1 (кривая 1). Максимальное значение t_p наблюдается на крае интервала F при F 1,4• 10¹³ см^-2.

Пример 2. В Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского" проведены испытания на срок службы режущих пластин, изготовленных из твердого сплава МС 111. Пластины были подвергнуты облучению a-частицами от природного источника плутония (Pu²³⁸) с энергией ≈5 МэВ и потоками от 1,4•10¹⁴ см^-2. Обрабатываемая деталь КРН03604, материал заготовок сталь 45Г2. Обработка проводилась в цехе N 21 на гидрокопировальном полуавтоматическом станке модели 473-4. Скорость резания V составляла 70 м/мин, подача S 0,53 мм/об, глубина резания t 2,5 мм. Зависимость нормированного срока службы (N_дет/N_{детмакс}) от величины потока a-частиц представлена в табл. 2 и на фиг. 1 (кривая 2). На кривой 2 наблюдаются два максимума: один при F 1,4•10¹³ см^-2, а второй при F 1,1•10¹⁴ см^-2.

Пример 3. В Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость пластин, изготовленных из твердого сплава марки Т15К6. Пластины были подвергнуты облучению a-частицами на циклотроне НИИЯФ МГУ. Энергия a-частиц составляла 25 МэВ, а значения потока F равнялись Φ₁=1•10¹⁴ см^-2 и Φ₂=2•10¹⁴ см^-2 Обрабатываемый материал сталь 50. Обработка проводилась на станке модели 1М63. Скорость резания V составляла 210 м/мин, подача S 0,20 мм/об, глубина резания t 1,0 мм. Результаты испытаний представлены в табл. 3 и на фиг. 1 (кривая 3). Очевидно, что облучение с Φ₂=2•10¹⁴ см^-2 обеспечивает большую величину времени работоспособности t_p.

Анализ результатов, представленных в примерах 1-3, показывает, что на зависимостях t_p f (Φ_α) наблюдаются два максимума: один при F 1,4•10¹³ см^-2, а второй в интервале F (1-2) 10¹⁴ см^-2.

Пример 4. В Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского" проведены испытания на срок службы режущих пластин, изготовленных из твердого сплава МС 111. Пластины были облучены протонами на циклотроне НИИЯФ МГУ. Энергия протонов Е 6,3 МэВ, поток F варьировался в интервале от 1•10¹⁴ см^-2 до 4•10¹⁴ см^-2. Условия испытания были те же, что и в примере 2. Зависимость нормированного срока службы от потока протонов представлена в табл. 4 и на фиг. 2 (кривая 1). На кривой 1 наблюдается максимум при F 3•10¹⁴ см^-2, однако и в точках Φ_p=1•10¹⁴ см^-2 и Φ_p=4•10¹⁴ см^-2 N_дет мало отличаются от N_{дет.макс.}.

Пример 5. В Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость режущих пластин, изготовленных из твердого сплава марки Т15К6. Пластины были облучены протонами на циклотроне НИИЯФ МГУ. Энергия протонов Е 6,4 МэВ, поток Φ_p варьировался в интервале от 1•10¹⁴ см^-2 до 8•10¹⁴ см^-2. Условия испытаний были те же, что и в примере 3. Зависимость нормированного времени работоспособности от потока протонов представлена в табл. 5 и на фиг. 2 (кривая 2). Максимум t_p наблюдается при Φ_p=2•10¹⁴ см^-2 однако t_p при других значениях Φ_p очень мало отличается от t_pмакс..

Экспериментально установлено на примере режущих пластин из твердосплавных материалов на основе монокарбида вольфрама, что при облучении их протонами и α-частицами высоких энергий и g-квантами действует один и тот же механизм увеличения износостойкости ионизационный, обусловленный разрыв напряженных связей в материале. Общий механизм увеличения износостойкости подтверждается наличием количественных закономерностей, связывающих три вида ионизирующей радиации. В частности, облучение протонами и воздействие потока a-частиц связаны между собой следующими аналитическими зависимостями.

Первый (энергетический) максимум времени работоспособности обусловлен равенством энергий, выделяющихся при облучении изделия из твердосплавного материала протонами или a-частицами. Вывод выражения, связывающего между собой величины потоков протонов и a-частиц и их энергий, достаточно громоздок. Поэтому ниже приведена лишь схема вывода.

1. Исходным является выражение для энергии (поглощенной дозы), выделяющейся в 1 г вещества при облучении потоком протонов F_p или α-частиц F_a:

где
E_Op(α) начальная энергия протонов (α-частиц);
r плотность вещества;
R_p(α) полный пробег протонов (α-частиц) в веществе.

2. Поскольку формула (1) 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 (1) 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 (протона, α-частицы) в i-ом элементе твердого сплава.

3. Пробег протонов (a-частиц) в веществе определяют по формуле:

где ионизационные потери энергии при пробеге протона ( α-частицы) в i-ом элементе твердого сплава, определяемые формулой Бете [5] пригодной для легких частиц (протонов, дейтронов и a-частиц) с энергией, превышающей 1 МэВ. Поэтому под верхних пределом интеграла (3) E_Hip(α) следует понимать величину, равную 1 МэВ, т.е. E_Hip(α) ≡ 1 МэВ.

4. Интеграл (3) 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_Op(α) выражено в МэВ, а Φ_p(α) в см^-2,

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).

5. Формула (4) симметрична по отношению к протонам и a- частицам. Поэтому из условия равенства D_p и D_(α) получаем:

Откуда

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

Или

Второй (корпускулярный) максимум определяется из условия
F_α ≈ Φ_p (9)
Сопоставим результаты испытаний с формулами (8'), (8'') и (9).

Сопоставляя результаты испытаний с формулами (8) и (9), приходим к выводу, что первый (энергетический) максимум (МС 111, Φ_α=1,4•10¹³ см^-2 примеры 1 и 2) ближе всего соответствует Φ_p=3•10¹⁴ см^-2 примера 4: согласно (8) Φ_α=1,92•10¹³ см^-2 Второй (корпускулярный) максимум (условие (9)), наблюдаемый при Φ_α=1,1•10¹⁴ см^-2 (МС 111, пример 2) и при 2•10¹⁴ см^-2 (Т15К6, пример 3) ближе всего совпадает со значениями Φ_p=1•10¹⁴ см^-2 (МС 111, пример 4) и Φ_p=2•10¹⁴ см^-2 (Т15К6, пример 5).

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

Изделия из твердых сплавов обрабатывают путем воздействия α-частицами высоких энергий, потоки которых, обеспечивающие максимальные значения t_p, определяют по одной из следующих зависимостей:

где t_p - время работоспособности обработанного изделия, F_α1 и Φ_α2 - потоки α-частиц, соответствующие первому (энергетическому) и второму (корпускулярному) максимумам t_p, E_o p и Ф_р - начальная энергия и поток пучка протонов, оказывающего эквивалентное действие на твердосплавный материал, определяемый опытным путем. 5 табл., 2 ил.

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


где Φ_α1 и Φ_α2 потоки α-частиц, соответствующие первому (энергетическому) и второму (корпускулярному) максимумам кривой времени работоспособности обработанного изделия, см^- 2;
E_0α начальная энергия a-частиц, МэВ;
E_0p и Φ_p начальная энергия и поток пучка протонов, оказывающего эквивалентное действие на твердосплавный материал, определяемые экспериментально.