СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ВОЛЬФРАМОКОБАЛЬТОВОГО ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2011 года по МПК C23C14/32 C23C14/48 

Изобретение относится к области упрочнения поверхности твердых сплавов концентрированными потоками энергии, в частности, к способу поверхностного упрочнения твердых сплавов на основе карбида вольфрама, которыми оснащают буровой и горно-режущий инструмент, а также используют при производстве штампов, прокатных валков, твердосплавных волок, аппаратов высокого давления.

Большой резерв повышения долговечности твердосплавных изделий заключается в применении поверхностных методов упрочнения, используя различные источники внешних высокоэнергетических воздействий [1-4].

Наиболее близким техническим решением является способ поверхностной обработки изделий из твердых сплавов путем облучения обрабатываемой поверхности изделий из твердых сплавов многоэлементным пучком ионов циркония, молибдена и углерода в импульсно-периодическом режиме микросекундного диапазона с энергией ионов 45÷75 кэВ. В качестве источника многоэлементного пучка ионов циркония, молибдена и углерода используют композиционный катод Zr-Mo-C [5]. Данный способ позволяет повысить эффективность легирования путем создания многофазной структуры в поверхностном слое, в результате чего увеличивается износостойкость изделий из твердого сплава.

Однако известный способ ионно-лучевой обработки изделий из твердых сплавов имеет следующие недостатки: для своей реализации требует предварительного изготовления катодов, которые эксплуатируются весьма ограниченный срок. Кроме того, для обработки поверхности требуется сравнительно большое время облучения (15÷30 минут).

Задачей предложенного изобретения является создание такого способа обработки, который позволяет за более короткое время (100 мкс) без специальной подготовки катодов, имеющих малый срок эксплуатации, импульсным однократным плазменным воздействием проводников (алюминиевой фольги, углеграфитовых волокон) на поверхность твердых сплавов группы ВК (ВК6, ВК8, ВК8К, ВК8КС, ВК8В, ВК10КС, ВК15КС) повысить их поверхностную твердость, износостойкость и эксплуатационную стойкость.

Сущность способа упрочнения поверхности вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включающего импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионным компонентом плазменной струи, состоит в том, что в качестве источника ионного компонента используют продукты электрического взрыва проводников - алюминиевой фольги или углеграфитовых волокон. Облучение проводят в импульсном режиме, обеспечивающем интенсивность воздействия на поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м². Одновременно легирование поверхности твердого сплава осуществляют с помощью порошков химических веществ и соединений, например алмазной пудрой, бором, карбидом кремния, которые при формировании струи увлекаются ею, частично превращаются в плазменное состояние, а частично в конденсированном состоянии переносятся на облучаемую поверхность. Такая обработка поверхности металлов и сплавов известна как электровзрывное легирование (ЭВЛ) [6]. Однако этот вид обработки не применялся для упрочнения поверхности твердых сплавов. Способ ЭВЛ вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента включает нагрев поверхности и насыщение ее продуктами взрыва с последующей самозакалкой путем отвода тепла вглубь материала и окружающую среду. Повышение эксплуатационной стойкости бурового и горно-режущего инструмента при реализации данного способа происходит за счет поверхностного легирования, смены типа монокарбида вольфрама WC в твердом сплаве на другой тип W₂C, который обладает большей твердостью, износостойкостью, и уменьшения величины зерен карбида вольфрама W₂C в поверхностном слое, что способствует повышению эксплуатационной стойкости твердого сплава.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что облучение проводят ионами плазменной струи, создаваемыми продуктами электрического взрыва проводника в виде углеграфитового волокна или алюминиевой фольги, в импульсном режиме, обеспечивающем интенсивность воздействия на поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м², с одновременным легированием поверхности инструмента порошками химических веществ или их соединений, размещенных в области взрыва. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна».

Инструментом теплового воздействия на поверхность и источником легирующих элементов при ЭВЛ является сама многофазная струя, сформированная из материала взрываемого проводника. Это может быть тонкая фольга металла или волокна (углеграфитовые волокна, алюминиевая фольга). В область взрыва помещают порошки химических веществ и соединений (например, бор, карбид кремния, алмазная пудра), которые при формировании струи увлекаются ею, частично превращаются в плазменное состояние, а частично в конденсированном состоянии переносятся на облучаемую поверхность. Работа плазменного ускорителя для ЭВЛ основана на накоплении энергии батареей импульсных конденсаторов до величин порядка 1…10 кДж и ее последующем разряде в течение 100 мкс через проводник, испытывающий при этом взрывное разрушение.

Пример 1: образцы твердого сплава с плоской поверхностью помещаются в технологическую камеру, откачиваемую форвакуумным насосом до давления 100 Па. Оснастка позволяет закрепить образец относительно оси сопла импульсного плазменного ускорителя под прямым углом. Источником легирующих элементов являлся проводник - алюминиевая фольга, закрепляемая на коаксиально-торцевых электродах ускорителя. Одновременно в область взрыва помещался порошок алмазной пудры, который при формировании струи увлекается ею, частично превращается в плазменное состояние, а частично в конденсированном состоянии переносится на облучаемую поверхность. Затем батарея импульсных конденсаторов разряжается через фольгу в течение 100 мкс, в результате чего происходит электрический взрыв. Из продуктов взрыва формируется импульсная плазменная струя с интенсивностью 7,6 ГВт/м², служащая инструментом воздействия на поверхность. Как и в прототипе, при обработке твердосплавных пластин указанным способом не образуется резкой границы между легированным слоем и материалом основы. Результаты испытаний облученной поверхности показали, что ее износостойкость, в сравнении с необработанными образцами, увеличивается в 4 раза, при этом сохраняется исходная шероховатость поверхности, глубина упрочненных слоев достигает 50 мкм.

Пример 2: образцы твердого сплава с плоской поверхностью помещаются в технологическую камеру, откачиваемую форвакуумным насосом до давления 100 Па. Оснастка позволяет закрепить образец относительно оси сопла импульсного плазменного ускорителя под прямым углом. Источником легирующих элементов являлся проводник - углеграфитовые волокна, закрепляемые на коаксиально-торцевых электродах ускорителя. Одновременно в область взрыва помещался порошок карбида кремния, который при формировании струи увлекается ею, частично превращается в плазменное состояние, а частично в конденсированном состоянии переносится на облучаемую поверхность. Затем батарея импульсных конденсаторов разряжается через волокна в течение 100 мкс, в результате чего происходит электрический взрыв. Из продуктов взрыва формируется импульсная плазменная струя с интенсивностью 6,0 ГВт/м², служащая инструментом воздействия на поверхность. Как и в прототипе, при обработке твердосплавных пластин указанным способом не образуется резкой границы между легированным слоем и материалом основы. Результаты испытаний облученной поверхности показали, что ее износостойкость, в сравнении с необработанными образцами, увеличивается в 3-4 раза, при этом сохраняется исходная шероховатость поверхности, глубина упрочненных слоев достигает 40-50 мкм.

Использование предлагаемого способа поверхностной обработки твердого сплава ВК10КС и ВК15КС ЭВЛ обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1) импульсная плазменная струя, как инструмент воздействия на поверхность, одновременно является тепловым источником и источником легирующих элементов;

2) материалом взрываемого проводника может быть любой электропроводный материал, например, тонкая фольга металла, углеграфитовые волокна;

3) в область взрыва могут быть помещены порошки химических веществ и соединений (например, бор, карбид кремния, алмазная пудра), которые при формировании струи увлекаются ею, частично превращаются в плазменное состояние, а частично в конденсированном состоянии переносятся на облучаемую поверхность;

4) обработка осуществляется в импульсном режиме в течение 100 мкс, при этом облучаемая площадь составляет 10÷15 см².

Источники информации

1. Бобой А.О. Комплексная модификация твердосплавных режущих инструментов с использованием ионных пучков высокой удельной мощности / А.О.Бобой, К.Н.Полещенко, С.Н.Поворознюк, Ю.Ф.Иванов // Материалы и технологии 21-го века: сб. науч. тр. Ч.1. Пенза: Изд-во Приволж. Дом знаний. - 2001. - С.87-89.

2. Ремнев Г.Е. Исследование структуры твердого сплава на основе карбидов вольфрама и титана, подвергнутого мощному импульсному ионному облучению / Г.Е.Ремнев [и др.] // Физика и химия обработки материалов. - 1998. - №5 - С.19-22.

3. Иванов А.Н. Структурные изменения в твердом сплаве ВК8 при ионном облучении / А.Н.Иванов, B.C.Хмелевская, И.А.Антошина, А.Б.Коршунов // Перспективные материалы. - 2003. - №1. - С.89-92.

4. Тарбоков В.А. Модифицирование твердосплавных пластин на основе карбида вольфрама мощным импульсным ионным пучком / В.А.Тарбоков, Г.Е.Ремнев, П.В.Кузнецов // Физика и химия обработки материалов. - 2004. - №3. - С.11-17.

5. Патент России №2155243, С23С 14/48, 1997 (прототип).

6. Багаутдинов А.Я. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов /А.Я.Багаутдинов, Е.А.Будовских, Ю.Ф.Иванов, В.Е.Громов - Новокузнецк: изд-во СибГИУ, 2007. С.268.

Изобретение относится к области упрочнения поверхности твердых сплавов концентрированными потоками энергии, а именно к способу поверхностного упрочнения твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Способ включает импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионами плазменной струи, создаваемыми продуктами электрического взрыва проводника в виде углеграфитового волокна или алюминиевой фольги, в импульсном режиме. Процесс проводят с одновременным легированием поверхности инструмента порошками химических веществ или их соединений, размещаемыми в области взрыва. При этом обеспечивают интенсивность воздействия на поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м². Технический результат - повышение эксплуатационной стойкости твердого сплава. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ упрочнения поверхности вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включающий импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионами плазменной струи, отличающийся тем, что облучение проводят ионами плазменной струи, создаваемыми продуктами электрического взрыва проводника в виде углеграфитового волокна или алюминиевой фольги, в импульсном режиме, обеспечивающем интенсивность воздействия на поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м², с одновременным легированием поверхности инструмента порошками химических веществ или их соединений, размещенными в области взрыва.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка химического вещества используют алмазную пудру.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка соединения используют карбид кремния.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка химического вещества используют бор.