СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ Российский патент 2016 года по МПК G01N3/58 

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для прогнозирования - контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов при их изготовлении, использовании или сертификации.

Известен способ определения износостойкости твердых сплавов, заключающийся в том, что испытуемый материал помещают в переменное магнитное поле с напряженностью порядка 5 эрстед, измеряют магнитную проницаемость материала и по градировочному графику «магнитная проницаемость - стойкость», построенному для эталонного образца, определяют величину износостойкости материала [SU А.С. 268720, МПК G01N 3/58, БИ 1970, №14].

Одним из недостатков известного способа является то, что при измерении не учитывается влияние массы и размагничивающего фактора изделий, имеющих часто различные формы и габаритные размеры на величину магнитной проницаемости, что приводит к снижению точности измерений. Кроме того, эксплуатационная характеристика - износостойкость контролируется данным способом посредством оценки физического состояния с помощью относительной магнитной проницаемости только в одной из компонент твердого сплава - кобальтовой связке. Это происходит потому, что карбид вольфрама - парамагнетик и вклад его от намагниченности в общую относительную магнитную проницаемость небольшой. Поэтому, с помощью данного способа производится, по существу, оценка относительной магнитной проницаемости кобальта, его количество и деформационное состояние. При этом совершенно не учитываются другие свойства поверхности и объема твердого сплава, в том числе, когезионное и адгезионное состояние на границах фаз и в объеме компонентов твердого сплава и т.д. Вследствие рассмотренных причин этот способ отличается низкой точностью при оценке износостойкости твердых сплавов.

Известен способ контроля режущих свойств партии твердосплавных инструментов, согласно которому сначала воздействуют на каждый инструмент (твердосплавную пластину) из партии, регистрируют параметр контроля, затем, выборочно подвергают механическому износу несколько инструментов из партии и определяют режущие свойства инструментов всей партии. Воздействие на каждый инструмент осуществляют путем равномерно распределенного импульсного нагрева, регистрируют хронологическую термограмму, в качестве параметра контроля определяют коэффициент температуропроводности каждого инструмента, по результатам выборочного механизма износа в зависимости от коэффициента температуропроводности, а режущие свойства инструментов всей партии определяют, используя полученную зависимость [SU А.С. 1651155, МПК G01N 3/58, БИ 1991 №19]. Выбранным исходным параметром в данном способе является величина температуропроводности. Основным недостатком данного способа является то, что очень трудно, более или менее точно, определить скорость распространения тепла в материалах, в которых носителями тепла являются свободные электроны. Твердые сплавы являются такими материалами, и теплопередача у них обеспечивается за счет движения электронов. Температуропроводность всех твердых сплавов отличается на незначительную величину. Поэтому очень сложно определить флуктуации(изменяющие износостойкость) температуропроводности для одной конкретной марки твердого сплава (они практически незаметны). Последнее сопряжено с большими техническими трудностями. Должное обеспечение в этой ситуации операций контроля точными - воздействующими, регистрирующими и вспомогательными приборами и устройствами, гарантирующими, необходимую точность повлечет за собой значительное повышение себестоимости контрольных операций. Вследствие этого данный способ контроля является мало перспективным для использования как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Известен способ прогнозирования износостойкости режущего инструмента, выбранный в качестве прототипа и заключающийся в следующем. Проводят эталонные испытания режущих инструментов при оптимальной или близкой к ней скорости резания, проводят испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной полиоксидной структуры твердого сплава, сформированной в процессе его нагревания, строят эталонную корреляционную зависимость "исходный параметр - износостойкость", выполняют статистический контроль только величины исходного параметра для текущей партии твердосплавных режущих инструментов. После этого прогнозируют износостойкость для текущей партии инструментов на основании зависимости:

где Т(текущее), мин - износостойкость в минутах - среднее прогнозируемое время безаварийной работы твердосплавных режущих инструментов, подвергающихся испытаниям, из текущей партии образцов;

Т(эталонное), мин - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

τ(эталонное), пс - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

τ (текущее), пс - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей - контролируемой партии. В качестве исходного параметра при этом используют величину времени жизни позитронов, внедренных в поверхность и приповерхностные слои твердых сплавов и производящих оценку электронной плотности их структуры. По величине электронной плотности прогнозируют износостойкость изготовленных режущих инструментов. [SU А.С. 2251095, МПК G01N 3/58, БИ 2005 №12]. Основным недостатком данного способа является высокая организационная сложность в его осуществлении. Для реализации этого способа необходим радиоактивный источник. В соответствии с нормами для его обслуживания существуют высокие требования. Необходимо иметь специальное помещение для его хранения. Измерение соответствующих параметров и обработку полученных результатов могут производить только специально подготовленный и обученный персонал. С помощью данного способа производится оценка структуры на атомном уровне и не всегда сопоставление данных результатов с результатами получаемые по износостойкости приводит к точному прогнозу. Данный способ позволяет производить разбраковку - прогнозировать износостойкость твердых сплавов близких по виду и степени дефектности структуры. Сравнение структур сильно различающихся по виду и степени дефектности дает достаточно заметные погрешности в прогнозе износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Вследствие этого данный способ прогнозирования износостойкости не совсем точно характеризует эксплуатационные свойства, предопределяемые степенью дефектности структуры, что в итоге снижает степень тесноты корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих инструментов. Тем не менее, данный способ контроля информативно отражает эксплуатационное состояние поверхностной структуры инструментального материала, что важно для установления связи между данной характеристикой и адгезионным износом, в большой степени зависящим от вида и степени дефектности поверхностного слоя, и мы выбираем его в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого способа прогнозирования износостойкости твердосплавных вольфрам - кобальтовых (группа К) режущих инструментов является повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Прогнозирование основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и концентрацией водорода, содержащегося в оксидной структуре твердого сплава, сформированной при окислении твердосплавных режущих инструментов в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха при температуре нагрева, соответствующей оптимальной температуре резания данным инструментальным материалом. С уменьшением концентрации водорода в оксидной структуре твердых сплавах группы применяемости К износостойкость изготовленных из этих твердых сплавов режущих инструментов, при резании сталей и сплавов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, возрастает.

Поставленная задача при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К в предлагаемом способе решается путем использования выбранного исходного параметра и включает: проведение эталонных испытаний режущих инструментов на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, при оптимальной или близкой к ней скорости резания, окисление испытанных режущих инструментов при температуре, соответствующей средней от действующих в зонах контакта, проверку полиоксидных образцов на изменение величины исходного параметра, построение эталонной - корреляционной зависимости «износостойкость - исходный параметр», статистический контроль только величины исходного параметра у твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов на основании зависимости:

где а_Э и b_Э - постоянные коэффициенты:

из них:

Т_ПТ - текущая износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов, подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;

ω_ПТ - текущее значение выбранного исходного параметра, полученное при контроле оксидной массы, сформированной на поверхности твердосплавных режущих инструментов при их окислении из текущей контролируемой партии твердосплавной продукции;

$$T_{{Э}_1}$$ и $$T_{{Э}_2}$$ - износостойкость в минутах для двух независимых выборок твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

$${\omega }_{{Э}_1}$$ и $${\omega }_{{Э}_2}$$ - средние значения величин выбранного исходного параметра, полученные при контроле оксидной массы, сформированной на поверхности твердосплавных режущих инструментов при их окислении, для двух выборок образцов из эталонной партии продукции, отличающийся тем, что с целью повышения точности прогнозирования износостойкости в качестве исходного параметра используют величину концентрации водорода, содержащегося в оксидной массе, полученной при окислении твердосплавных режущих инструментов, с уменьшением которой износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К возрастает.

Способ отличается также тем, что в качестве твердосплавных режущих инструментов используют твердосплавные режущие пластины.

Способ отличается также тем, что в качестве твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии используют твердосплавные режущие инструменты из предыдущей партии приобретенной продукции.

Внутренняя структура твердосплавного режущего инструмента группы применяемости К, формирующаяся в процессе изготовления твердого сплава, оказывает большое влияние на его износостойкость. Одной из важнейших характеристик внутренней структуры, определяющей важнейшие физико-механические и эксплуатационные свойства твердосплавных режущих инструментов данной группы, является ее способность взаимодействовать с кислородом. Кислород может оказывать благоприятное влияние как на формирование самой структуры твердого сплава, так и на процессы, развивающиеся затем в зонах взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов в процессе эксплуатации режущего инструмента. Накопление кислорода во внутренней структуре твердых сплавов может происходить на различных стадиях изготовления как самого твердого сплава, так и отдельных его компонентов. На поверхности порошковых частиц - исходных компонентов твердых сплавов: карбида вольфрама и кобальта в процессе их изготовления формируются тонкие оксидные пленки, которые затем, на этапе спекания, являются экраном против проникновения во внутреннюю структуру указанных компонентов других элементов и, в частности, водорода. Вместе с тем основные операции, связанные с изготовлением непосредственно твердых сплавов (например, спекание) и его компонентов происходит в водородосодержащей среде и, соответственно, влияние водорода на формирование структуры композита в целом является существенным.

Спекание твердых сплавов производится при достаточно высоких температурах. Водород, с одной стороны, через систему различных пор, проникая в глубинные области твердых сплавов группы применяемости К, растворяет и удаляет примесную кислородосодержащую среду в виде водяных паров, а с другой стороны, участвует в образовании твердых растворов, карбогидридных, оксикарбогидридных, карбонитрогидридных и иных соединений. Удаление кислородосодержащей среды водородом из композита и образование различных водородосодержащих соединений снижает эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К, при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ. Поверхностные и объемные оксигидридные и гидридные тонкие пленки и структуры состава твердых сплавов обладают высокой теплопроводностью и низкой диэлектрической проницаемостью. Вследствие этого они, в отличие от оксидных соединений, не обеспечивают достаточно надежного экранирования межмолекулярного взаимодействия в зонах контакта инструментального и обрабатываемого материалов. Кроме того, кристаллографическое строение данных соединений не содержит плоскостей с плотной упаковкой атомов - плоскостей легкого скольжения, как, например, у оксидов. Последнее обстоятельство исключает выполнение ими функции твердой смазки при низкой и оптимальной температуре эксплуатации твердосплавных группы применяемости К режущих инструментов. Эксплуатация данных режущих инструментов при более высоких температурах приводит к повышенному их износу. В связи с этим, с одной стороны, кислород и кислородосодержащая среда в процессе эксплуатации твердосплавных режущих инструментов диффундирует в зоны контакты и совместно с кислородом окружающей газовой среды участвует в формировании диссипативных структур, предохраняющих рабочие грани от износа. С другой стороны, аккумулированный твердосплавной структурой свободный водород и водород в форме различных гидридных соединений снижает активность окислительной среды и препятствует образованию диссипативных структур, предохраняющих контактные поверхности от адгезионного износа. Из представленного следует, что эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, будут увеличиваться с уменьшением в структуре твердого сплава водорода или его соединений.

Как правило, водород, в глубинных слоях твердосплавной структуры находится в различной агрегатной форме: в свободном состоянии, в состоянии слабого взаимодействия с компонентами структуры и в состоянии сильного взаимодействия с компонентами структуры. Часть водорода, находящегося в свободном состоянии, при механическом активировании и нагревании твердосплавных контактных поверхностей режущих инструментов при их эксплуатации может подвергаться ионизации и вступать во взаимодействие с компонентами твердого сплава и газовыми элементами окружающей среды, а другая часть, наоборот, дессорбировать в окружающую атмосферу или диффундировать, например, в структуру обрабатываемого материала. Водород, находившийся изначально в форме и слабого и сильного взаимодействия с компонентами твердого сплава при механическом и термическом активировании контактных поверхностей твердосплавного режущего инструмента и объемной структуры в целом, принимает участие, наряду с примесями и элементами окружающей газовой атмосферы, в образовании различных гидридных, оксигидридных, оксикарбогидридных, оксинитрогидридных и иных объемных и поверхностных соединений. Указанные водородосодержащие соединения, находящиеся как во внутренней структуре твердого сплава, так и в зонах контактного взаимодействия, оказывают большое влияние на эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К и, в первую очередь, на их износостойкость. С увеличением изначальной концентрации водорода в структуре твердого сплава, полученной в процессе его спекания, концентрация водородосодержащих соединений, формирующихся в межконтактной зоне при эксплуатации твердосплавных режущих инструментов увеличивается.

Наиболее благоприятные условия, для сохранения высоких эксплуатационных показателей режущих инструментов в течение длительного их функционирования, существуют при постоянном разрушении и последующем образовании в зонах контакта на поверхностях режущего клина оксидных пленок и структур с развитым внутренним строением. Такие оксидные образования могут возникать при наиболее высокой степени окисления компонентов структуры твердых сплавов и их примесей. Оксидные образования в данном случае имеют низкую электропроводность, тангенс угла диэлектрических потерь и теплопроводность. Они эффективным образом экранируют межмолекулярное взаимодействие и являются хорошей твердой смазкой. Износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К в процессе обработки материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, при этом достигает наибольших показателей. Это объясняется в первую очередь наличием высоких значений относительной диэлектрической проницаемости у поверхностных оксидных образований и наличием в кристаллографическом строении данных структур большого количества плоскостей, относительный сдвиг которых, происходит при достаточно низких контактных напряжениях, что является важным для создания смазочного эффекта между скользящими поверхностями. Присутствие в области между передней поверхностью режущего клина и стружкой, а также между задней его поверхностью и обрабатываемой поверхностью материала оксидных структур, с наличием в составе водорода, существенным образом снижает их эффективность и как экрана против межмолекулярного взаимодействия контактирующих поверхностей, и как материала, выполняющего роль твердой смазки. Это происходит в результате увеличения у формирующейся межконтактной оксигидридной структуры электропроводности, тангенса угла диэлектрических потерь, теплопроводности и, как следствие, снижение ее относительной диэлектрической проницаемости, от которой зависит уровень межмолекулярного взаимодействия контактирующих поверхностей при интенсивном адгезионном взаимодействии твердосплавного режущего инструмента и обрабатываемого материалов. При встраивании водорода в кристаллическую решетку межконтактной оксидной структуры, в первую очередь, снижается ее плотность и легкость в относительном скольжении кристаллографических плоскостей. Вследствие этого, смазочные характеристики, данного, содержащего водород соединения, на основе оксидов, снижаются. Таким образом, водород, содержащийся в структуре твердого сплава, препятствует образованию в зонах контакта эффективных диссипативных оксидных структур или значительным образом ухудшает их способность экранировать межмолекулярное взаимодействие контактирующих поверхностей и выполнять смазочные функции в зонах контакта. В итоге износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, снижается.

На процесс насыщения структуры твердых сплавов водородом, при их спекании, оказывают влияние множество факторов.

Наиболее дисперсные фракции, компонентов твердофазной композиции, в большей степени адсорбируют водород и с большей вероятностью образуют с ним различные, по силе связи, соединения.

Большое влияние на аккумулирование водорода структурой твердого сплава оказывают примеси. Одна часть примесей, входящих в состав компонентов, способствует адсорбции водорода и его накоплению в структуре. Другая часть препятствует накоплению водорода в составе компонентов. Значительное количество адсорбируемого водорода располагается в наноразмерных порах, которые формируются в компонентах твердосплавной композиции при испарении легкоплавких элементов. С увеличением в составе твердого сплава мелкодисперсного графита, находящегося в свободном состоянии, аккумулирующие свойства твердосплавной композиции по отношению к водороду также возрастают. При этом значительная концентрация водорода адсорбируется и хранится в пористой системе графита. Причем наиболее эффективными для адсорбции и размещения водорода в структуре всех компонентов твердого сплава и граничной области являются поры наноразмерной величины. Такая пористая система формируется при испарении легкоплавких как металлических, так и неметаллических элементов и соединений. Электронная плотность структуры компонентов твердого сплава при этом снижается, а ее акцепторные свойства возрастают. Последнее обстоятельство является существенным стимулом для адсорбции пористой поверхностью и карбида вольфрама и кобальта газовых элементов и, в первую очередь, с незначительным атомным весом, каким и является водород. Движущей силой процесса адсорбции молекул водорода внутренней поверхностью поры является электрическое поле, создаваемое на этапах формирования пористой системы и, в частности, при испарении и сублимации собственных атомов и кластеров, а также при испарении и сублимации примесных элементов и соединений, входящих в состав компонентов твердых сплавов.

Немаловажное влияние на процессы формирования пористой системы в компонентах твердых сплавов оказывают непосредственно и само явление адсорбции и десорбции газовых элементов, и в частности водорода. Это происходит в том случае, когда формирование пористой системы при спекании осуществляется за счет преобладания в составе компонентов тех или иных примесей или наличия определенного структурного состояния в системе, сопровождаемого периодическим испарением и последующей конденсацией. При этом может происходить формирование пористой системы как с прогрессирующим характером ее развития, так и наоборот, когда развитие пористой системы в процессе спекания будет затухать. В первом случае процесс накопления водорода в компонентах твердого сплава будет непрерывно возрастать, а во втором случае будет непрерывно снижаться.

Успешное функционирование твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К при обработке материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, должно сопровождаться непрерывным образованием и непрерывным последующим разрушением на контактных поверхностях режущего клина тонких оксидных структур. При этом, в результате реакций окисления основной - карбидной компоненты твердосплавной композиции образуются, в том числе, побочные продукты: окись и двуокись углерода. При ограниченном доступе в зоны контакта окислительной среды концентрация окиси и двуокиси углерода может сравняться. В данной ситуации поступление, за счет диффузии, из глубинных слоев твердого сплава в межконтактное пространство дополнительно и водорода может привести к смещению термодинамического равновесия между процессами окисления и восстановления контактных поверхностей режущего клина в сторону процессов восстановления. При доминировании процессов восстановления в зонах контакта образование оксидных структур прекратиться. Это приведет к активизации адгезионных явлений в зонах контакта и развитию микросварочных процессов между инструментальным и обрабатываемым материалами.

С увеличением количества поступающего водорода из структуры твердого сплава в зоны контакта прочность образующихся микросварочных швов будет непрерывно возрастать. С одной стороны, в данном случае микросварочные процессы, за счет межмолекулярного взаимодействия, все больше и больше будут осуществляться в защитной водородной среде, гарантирующей высокое качество образующихся соединений. С другой стороны, неизбежное разрушение формирующихся микросварочных соединений за счет сил резания будет сопровождаться все более и более разрушительными последствиями для режущего клина - его поверхностей, приповерхностных слоев и объема в целом. Это будет происходить вследствие того, что с ростом количества водорода в зонах контакта и ростом прочности и качества непосредственно микросварочного шва - разрушение образовавшегося соединения будет осуществляться не по телу обрабатываемого материала, а по телу режущего инструмента. Последнее происходит вследствие того, что предел прочности на растяжение твердых сплавов значительно ниже предела прочности на растяжение класса обрабатываемых материалов, вызывающих при их резании интенсивный адгезионный износ и прежде всего - хромоникелевых сталей и сплавов.

Интенсификация адгезионных явлений приводит к росту контактных напряжений. Происходит непропорциональное увеличение касательных напряжений по сравнению с нормальными напряжениями. Одновременно повышаются коэффициенты трения как на передней, так и на задней поверхностях режущего клина. Существенно возрастает температура в зоне стружкообразования. Последнее обстоятельство, в свою очередь, приводит к интенсификации адгезионных явлений, резко возрастает величина степени пластической деформации срезаемого слоя - усадки стружки. В итоге прогрессирующим образом нарастают микроразрушения контактных поверхностей, общий износ существенно интенсифицируется и может закончиться макроразрушением режущего клина.

Не весь водород, проникший в структуру твердых сплавов, в результате сорбционных процессов, оказывает негативное влияние на свойства его компонентов и межфазные границы. Водород, который при эксплуатации твердосплавных режущих инструментов не взаимодействует с компонентами твердого сплава и поступающим в зону контакта кислородом, а за счет десорбции, уходит в окружающую газовую атмосферу, не оказывает деструктивного влияния на рабочие характеристики. Негативное влияние на структуру твердого сплава и на контактные процессы оказывает только та активная часть адсорбированного структурой водорода, которая взаимодействует с компонентами твердого сплава с образованием, различных по силе, химических связей. Такие водородосодержащие соединения, находясь в зонах контакта, участвуют в окислительно-восстановительных реакциях и препятствуют образованию оксидных пленочных структур и других оксидных образований. Данное обстоятельство существенным образом снижает качество диссипативных процессов в зонах контакта и приводит к снижению износостойкости твердосплавного режущего инструмента группы применяемости К при обработке материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ.

Большое влияние на износостойкость режущих инструментов оказывают процессы образования, сублимации и последующей конденсации оксидов, принадлежащих компонентам твердого сплава и обрабатываемого материала. В результате конденсации газообразного оксидного вещества, происходящем в межконтактном пространстве, на контактных поверхностях как обрабатываемого, так и инструментального материалов, образуются тонкие оксидные пленки наноразмерной величины, которые экранируют межмолекулярное взаимодействие трущихся объектов, а при достаточном наслоении разрушаются и выполняю роль твердой смазки.

Аккумулированный структурой твердого сплава водород проникает в зоны контакта инструментального и обрабатываемого материалов и вступает во взаимодействие с их элементами. Образующиеся гидриды, оксигидриды и оксиды с примесным водородом оказывают большое влияние как на контактные процессы, так и на все основные эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов.

При взаимодействии водорода с формирующимися в зоне контакта оксидами, образуется достаточно большая концентрация комплексных соединений, у которых, в том числе, имеются и водородные связи. Водород, как правило, принимает активное участие в процессах восстановления и препятствует образованию высших оксидов. Формирующиеся оксидные и оксигидридные соединения при наличии в их составе водорода сильно изменяют свои термодинамические и кинетические свойства. Так, при поступлении в межконтактное пространство, из структуры твердого сплава водорода, в нем снижается концентрация, образующихся высших оксидов вольфрама и кобальта и увеличивается концентрация низших оксидов. Особенностью данного явления является то, что низшие оксиды подвергаются сублимации при более высоких температурах, действующих в зонах контакта инструментального и обрабатываемого материалов или вообще исключается их переход из твердого в газообразное состояние. Может оказаться так, что температурный интервал перехода в газообразное состояние с последующей конденсацией и образованием на контактных поверхностях эффективных оксидных пленочных систем, за счет наличия водорода, будет находиться значительно выше оптимальной температуры эксплуатации данного твердого сплава. В этом случае режущий клин твердосплавных режущих инструментов при эксплуатации их на режимах резания, вызывающих низкую температуру в зонах контакта, не будет иметь на контактных поверхностях эффективного экрана в виде тонких оксидных пленок, защищающего их от реакций межмолекулярного взаимодействия. Кроме того, в виду отсутствия нормальных явлений окисления, сублимации, конденсации и образования тонких оксидных слоев и наслоений, контактные поверхности твердосплавного режущего инструмента группы применяемости К не будут подвергаться эффективным смазочным действиям. При высоких температурах эксплуатации твердосплавного режущего инструмента, выше оптимальных температур, будет происходить ускоренный процесс разрушения твердосплавной структуры в зонах контакта за счет интенсивного окислительного, диффузионного и абразивного износов. В обоих случаях износостойкость режущих инструментов будет интенсивно снижаться.

При адсорбции, водород размещается в различных объектах структуры твердых сплавов. Наиболее эффективным местом размещения водорода являются поры, трещины и различного рода система вакансионной дефектности компонентов структуры и их соединений.

Располагаясь, за счет адсорбции в пористой системе карбидного зерна, водород ослабляет связи между вольфрамом и углеродом. Кроме того, его обширное присутствие делает структуру карбидного зерна, существенно, неоднородной по физико-механическим и химическим свойствам, что, собственно, нарушает целостность структуры зерна при действии на его поверхность знакопеременных нагрузок в виде сжатия и растяжения, возникающих на этапах образования адгезионного шва и его разрушения.

В кобальтовой матрице водород размещается также в трещинах и порах, возникающих на этапах размола кобальтового порошка. При нагревании, водородная среда создает в трещинах, имеющих наноразмерную величину высокие давления и благоприятные условия для образования у материала данных частиц повышенной хрупкости.

В процессе спекания твердых сплавов системы карбид вольфрама - кобальт, в области межфазных границ, карбид вольфрама, в некоторой степени, растворяется в кобальте. Образующееся соединение на основе карбида вольфрама и кобальта имеет повышенную хрупкость. Графитовая прослойка на границе препятствует данным твердофазным разрушительным реакциям. С увеличением до некоторой степени толщины графитовой прослойки степень растворения компонентов снижается. Присутствие водорода в области межфазных границ способствует реакции растворения карбида вольфрама в кобальте, дополнительно создавая условия для увеличения хрупкости твердосплавной композиции. Это происходит вследствие того, что водород, располагаясь на границах фаз, взаимодействует с графитом, удаляет его с межфазных границ за счет образования газообразных углеводородных соединений и, таким образом устраняет условия для ограничения разрушительных для композиции твердофазных взаимодействий между карбидом вольфрама и кобальтом.

Вследствие указанных причин, формирующиеся в процессе износа передняя и задняя контактные поверхности режущего клина изначально, ввиду разрушительного присутствия в структуре твердого сплава водорода, являются в прочностном отношении ослабленными. При адгазионном взаимодействии ослабленных контактных поверхностей режущего клина с обрабатываемым материалом отрыв отдельных частей карбидного зерна и кобальтовой прослойки, а в некоторых случаях целого карбидного зерна или группы карбидных зерен с кобальтовым окружением происходит значительно на более ранних стадиях эксплуатации твердосплавного режущего инструмента.

Сопоставление износостойкости твердосплавного режущего инструмента с содержанием водорода в составе оксидной массы, формирующейся при его окислении, наиболее точно отражают корреляционную связь между основной эксплуатационной характеристикой и способностью структуры твердого сплава накапливать водород. Оксидные образования, полученные при температуре, соответствующей оптимальной температуре резания, в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха по составу и свойствам максимальным образом приближаются к свойствам оксидных структур, формирующимся в зонах контакта твердосплавного режущего инструмента, группы применяемости К с обрабатываемым материалом, вызывающим интенсивный адгезионный износ.

Из полученных испытаний при определении износостойкости твердосплавных режущих инструментов и определении количества водорода в оксидной массе также следует, что тонкие оксидные образования, формирующиеся в зонах контакта режущего и обрабатываемого материалов, и их химические, физические и механические свойства оказывают решающие влияния на термодинамику и кинетику трибологических процессов и отражают эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов в целом.

Таким образом состав твердых сплавов, состояние их структуры, наличие в компонентах тех или иных примесей существенным образом оказывают влияние, с одной стороны, на износостойкость режущих инструментов группы применяемости К при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, а с другой, на их способность аккумулировать при их окислении в своей структуре водород. С уменьшением способности структуры твердого сплава аккумулировать водород и сохранять его затем в оксиде износостойкость твердосплавных режущих инструментов возрастает. С уменьшением водорода в структуре твердого сплава, а в итоге и в оксиде, приводит к улучшению его физико-механических характеристик. Снижается трещиностойкость, что является, существенно, важным при преимущественном действии в зонах контакта режущего инструмента с обрабатываемым материалом адгезионного износа, который сопровождается циклическим локальным силовым воздействием на контактные грани. При снижении в структуре запасенного водорода в зонах контакта с большей вероятностью формируются пленочные структуры, сформированные из высших оксидов, эффективно экранирующие межмолекулярные взаимодействия и являющиеся твердой смазкой.

Существенно важной особенностью предлагаемого способа является то, что в соответствии с его приемами - без дополнительных затрат и технических трудностей представляется возможным проводить более объективную и точную оценку износостойкости - вследствие оперативного анализа и сопоставления текущих контролируемых и эталонных параметров, полученных в широком диапазоне режимов резания и температур резания. На свойства твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К большое влияние оказывают износостойкие покрытия. Между эксплуатационными характеристиками твердосплавных режущих инструментов и содержанием водорода в их оксидных образованиях также наблюдается устойчивая корреляционная связь. И для данных инструментальных материалов соблюдается правило: с уменьшением аккумулированного в оксидной структуре водорода износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К возрастает. Соответственно предлагаемый способ прогнозирования для оценки их эксплуатационных характеристик также применим.

Реализация способа осуществляется последовательно проходя несколько этапов. Сначала твердосплавные режущие инструменты (режущие пластины) подвергают испытанию в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ. После испытаний на износостойкость режущие пластины тщательно очищают и подвергают окислению в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха при температуре близкой к температуре, возникающей в зоне обработки материалов при оптимальной скорости резания. Из образовавшейся на поверхностях режущих инструментов оксидной массы произвольно подбирают навески от 0,2 до 0,3 г, помещают их в специальные тигли, а затем сами тигли поочередно устанавливают в рабочую камеру прибора по определению водорода и определяют в каждом конкретном случае количество водорода в оксидной массе. После включения прибора - анализатора водорода и автоматического взвешивания навески - тигель с навеской автономно размещается между электродами. Далее производится расплавление навески, и автоматически оценивается вес выделяемого при плавлении образца водорода по изменению теплопроводности (электропроводности) несущего газа (аргона). Затем автоматически рассчитывается концентрация водорода в образце из оксида твердого сплава в единицах ррm. Итоговый результат также вычисляется автоматически компьютером анализатора водорода путем умножения определяемой концентрации на 10⁴.

Определение водорода в структуре твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К производили с помощью анализатора водорода модели RHEN602 фирмы LECO. Анализатор оснащен системой Windows. Процесс определения водорода в оксидном образце производится при его плавлении в автономной электродной печи в среде газа-носителя (аргона). Концентрация водорода - отношение массы выделившегося при расплавлении образца водорода к массе образца (навески) оценивается по регистрации теплопроводности газа-носителя, в атмосфере которого производится плавления образца. Измерение теплопроводности газа-носителя производится в термокондуметрической ячейке. Сначала графитовый тигель, в котором затем плавится оксидный образец-навеска, подвергается дегазации. Дегазация начинается после помещения пустого графитового тигля (без образца) между электродами и последующего включения анализатора. Вследствие этого электроды сближаются, происходит их замыкание и реализуется режим горения - очистки тигля от атмосферных газов. При этом через тигель проходит ток величиной 800А, разогревающий его до высокой температуры, способствующей высвобождению газов, находящихся на поверхности и в микропорах приповерхностной области графитового тигля. Затем измеряемый на наличие водорода образец помещается в загрузочное устройство, взвешивается и перемещается через шлюз из загрузочного устройства в дегазированный тигель. После этого на тигель вновь подается высокий ток, разогревающий тигель и образец, высвобождая при этом газы из плавящегося образца. С тем чтобы предотвратить возможное выделение газов из тигля во время текущего рабочего анализа, на тигель подается ток, сила которого несколько ниже (600А) предыдущего тока дегазирования. Процесс плавления образца в тигле производится в среде газа-носителя. Прежде чем попасть в дозированном количестве в термокондуметрическую ячейка с пустым тиглем, а после с тиглем и помещенным в него образцом-навеской газ-носитель проходит тщательную очистку. Сначала газ из газового баллона через систему трубопроводов проходит через нагретый медный фильтр для очистки его от примесей кислорода. Затем газ проходит через специальные химические реагенты для очистки его от СО₂ (углекислого газа) и Н₂O (влаги). Процесс очистки несущего газа, а затем и несущего газа с выделившимся после расплавления образца водородом осуществляется после режима дегазации и, соответственно, рабочего режима (плавление образца в тигле с рабочим газом-носителем). В термокондуметрической ячейке измеряется теплопроводность газа-носителя после режима «дегазация» тигля (без образца) и после плавления образца в тигле. По мере нагревания образца и его плавления (после замыкания электродов) выделяющийся водород и прочий газ попадает в транспортирующий газовый поток и проходит через участок контроля газового потока. Газ вновь проходит через специальные химические реагенты, которые удаляют СO₂ и Н₂O (влагу). Наконец газ образца проходит через измерительную систему термокондуметрическую ячейку, где измеряется теплопроводность несущего газа с выделившимся при плавлении образца водородом. Так как водород имеет очень высокую теплопроводность по сравнению с другими газами, то по изменению теплопроводности несущего газа (в смеси с выделившимся из расплавленного образца водородом) с высокой точностью определяется содержание выделившегося, при плавлении оксидной навески, водорода в несущем газе. Данные по теплопроводности в отдельности газа-носителя и газа-носителя с выделившимся при плавлении навески водородом передаются на аналогово-цифровой преобразователь, а затем компьютерный процессор и, наконец ,на дисплей компьютера.

Полностью процесс измерения отображается на экране процессорного блока. Обычно время измерения составляет не более 1 мин. Измерение характеризуется высокой воспроизводимостью результатов, т.к. исключает ошибки, связанные с отбором, подготовкой и анализом отдельных проб оксидных масс, характерные для традиционных методов анализа. Концентрация водорода, у оксидной массы твердого сплава определяется компьютерной системой анализатора в соответствии с формулой:

$$\omega =\frac{массаводорода,выделившегося\text{ при плавлении оксидного образца - навески}}{\text{масса оксидного образца - навески}}\times {10}^4(ppm)$$

Прогнозирование износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ заключается в том, что сначала производят стойкостные испытания твердосплавных режущих пластин из двух выборок партии твердосплавной продукции, определяют износостойкость каждой твердосплавной режущей пластины, определяют средние значения износостойкости для твердосплавных режущих пластин для каждой выборки, производят окисление в электрической печи испытанных на износостойкость твердосплавных режущих пластин, берут навески оксидных масс из окисленных твердосплавных режущих пластин, помещают их в анализатор, расплавляют навески, определяют концентрацию выделившегося водорода из каждого образца - оксидной навески, определяют средние значения выделившегося водорода для образцов-навесок для каждой выборки, строят график зависимости износостойкости от концентрации выделившегося водорода. Затем прогнозирование износостойкости у последующей поставляемой партии твердосплавных режущих пластин группы применяемости К производят без испытания их в процессе резания, а только по определению наличия у них концентрации водорода в их оксидной массе, полученной при окислении твердосплавной режущей пластины. С уменьшением водорода в составе оксидной массы твердосплавных режущих пластин их износостойкость при резании материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, возрастает.

При этом для прогнозирования износостойкости используют зависимость (1) а также пользуются графиком зависимости «концентрация водорода - износостойкость», полученным ранее при испытании - прогнозировании износостойкости первых (эталонных) партий твердосплавных режущих пластин.

На фиг. 1 представлена эталонная зависимость «концентрация водорода - износостойкость», на основании которой производится прогнозирование износостойкости твердосплавных группы применяемости К режущих пластин при резании ими материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ.

С учетом рассмотренных особенностей взаимодействия твердосплавных инструментальных материалов группы применяемости К с водородом можно констатировать, что на процесс насыщения структуры твердых сплавов водородом оказывают большое количество управляемых факторов, к числу которых относятся, например, основные: состав исходных материалов, предназначенных для получения порошков вольфрама, кобальта, графита, наличие у них тех или иных примесей, технология получения указанных порошков, технология получения карбидов, особенности размола и механоактивации порошков, особенности процесса спекания компонентов твердых сплавов, состав газовой среды, используемой при получении порошков и их спекании.

Путем целенаправленного управления и регулирования указанными факторами можно создать условия, при которых внутренняя структура твердых сплавов будет аккумулировать наименьший, из возможных, объем водорода. Такой подход обеспечит формирование наиболее оптимальной структуры твердых сплавов при их изготовлении. При этом с уменьшением в оксидной массе твердых сплавов группы применяемости К водорода, их износостойкость, при резании материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, возрастает.

Пример осуществления способа прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Сначала, полученные при выборке две партии (принятые в качестве эталонных) в количестве по 10 штук каждая твердосплавных режущих пластин группы применяемости К марки ВК8 подвергают испытаниям на износостойкость на токарно-винторезном станке модели 163. В качестве обрабатываемого материала использовалась хромоникелевая сталь Х17Н13М2Т. Скорость резания при испытаниях выбиралась равной 70 м/мин. Подача и глубина резания были приняты соответственно 0,23 мм/об и 1,5 мм. Резание осуществлялось без охлаждения. За критерий затупления принимался износ режущей пластины по задней поверхности, равный 0,6 мм.

Стойкость для образцов из 10 штук первой эталонной партии составила: 29,20; 29,00; 28,50; 27,50; 26,80; 26,50; 26,00; 25,75; 25,00; 24,40 мин. Среднее значение составило 26,865 мин.

Стойкость для образцов из 10 штук второй эталонной партии составила: 29,30; 28,80; 28,40; 27,80; 27,20; 26,60; 26,20; 25,90; 25,20; 24,30 мин. Среднее значение составило 26,970 мин.

Затем, испытанные твердосплавные пластины после химической очистки в ультразвуковой ванне и сушки подвергались окислению в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха при температуре 800°С. После этого из полученной на поверхности твердосплавных режущих пластин оксидной массы подбирались навески массой в диапазоне от 0,2 до 0,3 г и подвергались обследованию на определение наличия в их структуре водорода. Насыщение структуры твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К водородом происходило в процессе изготовления отдельных компонентов и последующего спекания композита в целом.

Масса приготовленных оксидных образцов (кусочков в навеске), полученных из первой партии испытанных в процессе резания твердосплавных режущих пластин, составила: 0,257; 0,263; 0,266; 0,271; 0,274; 0,279; 0,285; 0.289; 0,294; 0,297 г.

Масса приготовленных оксидных образцов (кусочков в навеске), полученных из второй партии испытанных в процессе резания твердосплавных режущих пластин составила: 0,262; 0,265; 0,267; 0,269; 0,272; 0,275; 0,278; 0.283; 0,288; 0,296 г.

Подготовленные таким образом навески устанавливают в специальную шлюзовую камеру, помещают в дегазированный графитовый тигель, тигель устанавливают между электродами, производят плавление навески, очищают газовую смесь несущего газа с выделившимся водородом от углекислого газа (СO₂) и влаги (Н₂O), определяют теплопроводность (электропроводность) смеси несущего газа с выделившимся при сгорании водородом и, на основании этого параметра, собственно, определяют массу водорода. Процесс определения массы выделившегося, аккумулированного оксидной структурой, водорода производится с помощью анализатора RHEN602 фирмы LECO в автоматическом режиме.

Точность определения концентрации выделяющегося водорода из оксидной структуры твердого сплава с помощью данного прибора (анализатора RHEN602 фирмы LECO) составляет 0,02 ррm.

Концентрация водорода в единицах ррm у оксидных образцов, полученных из первой партии режущих пластин, соответственно, составила: 0,41; 0,43; 0,47; 0,51, 0,56; 0,59; 0,63; 0,65; 0,69; 0,73. Среднее значение концентрации водорода в ppm составило: 0,567.

Концентрация водорода в единицах ppm у оксидных образцов, полученных из второй партии режущих пластин, соответственно, составила: 0,43; 0,45; 0,48; 0,53; 0,57; 0,61; 0,64; 0,67; 0,72; 0,76. Среднее значение концентрации водорода в ррm составило 0,586.

На основании полученных ранее результатов по определению износостойкости твердосплавных режущих пластин и концентрации выделившегося при плавлении оксидных образцов-навесок водорода строится график зависимости «износостойкость - концентрация выделившегося водорода».

На фиг. 1 представлена зависимость износостойкости режущих пластин из ВК8 группы применяемости К, соответственно, для выборок 1 и 2 при обработке ими стали Х17Н13М2Т от концентрации аккумулированного их оксидной структурой водорода. Для осуществления прогнозирования износостойкости у твердосплавных режущих пластин в последующей текущей (изготовленной или полученной) и предназначенной для потребления партии инструментальных образцов производят испытание только величины концентрации аккумулируемого их оксидной структурой водорода. Так, например, при прогнозировании износостойкости у очередной партии твердосплавных режущих пластин группы применяемости К на анализаторе RHEN602 с массой оксидных навесок: 0,246; 0,249; 0,254; 0,259; 0,264; 0,2268; 0,285; 0.289; 0,293; 0,296 были получены следующие концентрации водорода в ррm: 0,43; 0,45; 0,49; 0,53; 0,55; 0,57; 0,60; 0,65; 0,67; 0,73. Среднее значение из полученных данных составило 0,567 ррm. В соответствии с вышеприведенными формулами определяют а_э и b_э.

а_э=-5,526; b_э=23,736, после этого определяют Т_пт

Т_пт=26,83 мин.

Таким образом, прогнозируемая средняя износостойкость у текущей партии твердосплавных режущих пластин составила 26,83 мин.

Контрольные испытания износостойкости в процессе резания на металлорежущем станке показали следующие результаты по износостойкости: 30,80; 29,70; 29,30; 28,20; 27,60; 27,40; 27,00; 26,70; 26,20; 25,80, мин. Среднее значение составило 27,87 мин.

При осуществлении прогнозирования износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, проводимых на металлорежущих станках. Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной корреляционной связи между способностью оксидной массы твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К аккумулировать в своей структуре водород и их износостойкостью при резании материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ. Степень корреляционной связи между концентрацией водорода, содержащегося в структуре твердосплавных группы применяемости К режущих инструментов и их износостойкостью составляет r=0,88. Степень корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих пластин в соответствии с прототипом составляет r=0,75. При сравнении данных прогноза износостойкости, полученных в соответствии с прототипом, по предлагаемому способу, а также в результате контрольных экспериментальных исследований износостойкости, выполненных в процессе резания аустенитной стали Х17Н13М2Т, выявлено, что результаты, полученные в соответствии с прототипом, отличаются от контрольных испытаний на 15-20%, в то время как результаты, полученные по предлагаемому способу, отличаются лишь на 5-10%.

Таким образом, предлагаемый способ контроля - прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов может быть использован с достаточно высокой экономической эффективностью на предприятиях, изготавливающих или потребляющих твердосплавную продукцию.

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для прогнозирования - контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов при их изготовлении, использовании или сертификации. Сущность: осуществляют проведение испытания на изменение величины исходного параметра от свойств структуры, сформированной в процессе изготовления твердосплавного режущего материала. Осуществляют проведение эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, при оптимальной или близкой к ней скорости резания, построение эталонной - корреляционной зависимости «исходный параметр - износостойкость». Осуществляют статистический контроль только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости для текущей партии твердосплавных режущих инструментов на основании зависимости. В качестве исходного параметра используют величину концентрации водорода, содержащегося в оксидной массе, полученной при окислении твердосплавных режущих инструментов, с уменьшением которой износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К возрастает. Технический результат: повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных группы применяемости К режущих инструментов по выбранному исходному параметру, включающий проведение испытания на изменение величины исходного параметра от свойств структуры, сформированной в процессе изготовления твердосплавного режущего материала, проведение эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ, при оптимальной или близкой к ней скорости резания, построение эталонной - корреляционной зависимости «исходный параметр - износостойкость», статистический контроль только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости для текущей партии твердосплавных режущих инструментов на основании зависимости:

где a_Э и b_Э - постоянные коэффициенты:


из них:
T_ПТ - текущая износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов, подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;
ω_ПТ - текущее значение выбранного исходного параметра, полученное при контроле оксидной массы, сформированной на поверхности твердосплавных режущих инструментов при их окислении из текущей контролируемой партии твердосплавной продукции;
$$T_{{Э}_1}$$ и $$T_{{Э}_2}$$ - износостойкость в минутах для двух независимых выборок твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;
$${\omega }_{{Э}_1}$$ и $${\omega }_{{Э}_2}$$ - средние значения величин выбранного исходного параметра, полученные при контроле оксидной массы, сформированной на поверхности твердосплавных режущих инструментов при их окислении, для двух выборок образцов из эталонной партии продукции, отличающийся тем, что с целью повышения точности прогнозирования износостойкости в качестве исходного параметра используют величину концентрации водорода, содержащегося в оксидной массе, полученной при окислении твердосплавных режущих инструментов, с уменьшением которой износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости К возрастает.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердосплавных режущих инструментов используют твердосплавные режущие пластины.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии используют твердосплавные режущие инструменты из предыдущей партии приобретенной продукции.