СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ Российский патент 2017 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 деформированное 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, в соответствии с которым сначала воздействуют на каждый инструмент (твердосплавную пластину) из партии. Затем по измеренному параметру контроля и по результатам износа отобранного инструмента определяют режущие свойства всей партии инструментов. В качестве воздействия используют равномерно распределенный импульсный нагрев. При этом регистрируют хронологическую термограмму облученного световым потоком инструмента и по ней определяют коэффициент температуропроводности, который используют в качестве параметра контроля, характеризующего режущие свойства [SU А.С. 1651155, МПК G01N 3/58, БИ 19, 1991]. Выбранным исходным параметром в данном способе является величина температурной проводимости.

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. Температурная проводимость всех твердых сплавов отличается на незначительную величину. Вследствие этого при контроле очень сложно определить флуктуации температурной проводимости (изменяющие износостойкость) для одной конкретной марки твердого сплава (они практически незаметны). Кроме того, измерение температурной проводимости сопряжено с большими техническими трудностями. Качественное обеспечение действий проверки в этой ситуации надежными - воздействующими, регистрирующими и вспомогательными приборами и устройствами, гарантирующими высокую точность измерений, 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 12, 2005].

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, получаемыми 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 - титан - кобальтовых режущих инструментов группы применяемости Р является повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Прогнозирование основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и концентрацией двойного оксида на основе кобальта и вольфрама в составе полиоксида, который формируется на контактных поверхностях твердосплавных режущих инструментов. С уменьшением объемной концентрации двойного оксида в составе полиоксида износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р, при резании ими сталей и сплавов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, возрастает.

Поставленная задача при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р в предлагаемом способе решается путем использования выбранного исходного параметра и включает: проведение испытания на изменение величины исходного параметра, зависящего от свойств поверхностной и объемной структуры, сформированных в процессе изготовления твердосплавного режущего инструмента, проведение эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов 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 режущих инструментов на основании зависимости:

где а_Э и в_Э - постоянные коэффициенты:

из них:

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

V_пт - текущее значение выбранного исходного параметра, полученное при контроле твердосплавных режущих инструментов из текущей - контролируемой партии твердосплавной продукции;

Тэ₁ и Тэ₂ - износостойкость в минутах для двух независимых выборок сменных твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

V_Э1 и V_Э2 - средние значения величин выбранного исходного параметра, полученные при контроле двух независимых выборок образцов твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции.

Согласно изобретению в качестве исходного параметра используют величину объемной концентрации оксидного соединения на основе кобальта и вольфрама - CoWO₄, входящего в состав сложного поверхностного полиоксидного образования, формирующегося на поверхности твердосплавных образцов при их нагревании в электрической печи, с уменьшением концентрации указанного оксидного соединения на основе кобальта и вольфрама износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р возрастает.

В качестве твердосплавных режущих инструментов используют твердосплавные режущие пластины.

В качестве твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии используют твердосплавные режущие инструменты из предыдущей партии приобретенной продукции.

Фазовый состав полиоксидных диссипативных структур, формирующихся в межконтактных пространствах режущего и обрабатываемого материалов, оказывают, в итоге, большое влияние на износостойкость режущих инструментов. При механической обработке материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, межконтактные полиоксидные диссипативные структуры препятствуют массопереносу, выполняют антикоррозионные и термоизоляционные функции. Эффективность межконтактных полиоксидных образований возрастает с уменьшением в составе структуры полиоксида сложных оксидных соединений на основе кобальта и вольфрама. Данные соединения разрушают на контактных поверхностях режущего клина участки защитной пленки из оксида титана, консолидированных сложными оксидами на основе кобальта и вольфрама.

В состав полиоксидных соединений, формирующихся, как в зонах контакта режущего инструмента и обрабатываемого материала, так и на поверхности твердосплавных режущих образцов, подвергающихся окислению в муфельной электрической печи, входят оксиды титана, оксиды кобальта, оксиды вольфрама, а также сложные оксиды на основе кобальта и титана, титана и вольфрама, кобальта и вольфрама. Основным и наиболее представительным из оксидных образований, входящих в состав полиоксида является оксид состава CoWO₄. Твердосплавные режущие инструменты, на контактной поверхности которых при их механическом или термическом активировании интенсивно образуются полиоксидные формирования с высоким содержанием представленного сложного оксида на основе кобальта и вольфрама, имеют низкие эксплуатационные характеристики. С уменьшением в составе поверхностного полиоксида концентрации данного двойного оксида - CoWO₄ износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р, при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, увеличивается. Определение объемной концентрации данного сложного оксида производили с помощью рентгеновского дифрактометра.

Процесс формирования полиоксидных образований на твердосплавной подложке при ее нагревании включает адсорбцию молекул кислорода, их частичную или полную атомизацию на поверхности, взаимодействие атомов кислорода с компонентами поверхности и образование пленочной структуры. Окислению подвергаются зерна карбида титана, сложного карбида на основе карбидов вольфрама и титана, карбида вольфрама, кобальтовая прослойка, входящие в состав твердых сплавов, рассматриваемой группы. В первую очередь происходит окисление поверхности карбидных зерен вольфрама. Затем образующийся оксид вольфрама способствует, вследствие каталитических процессов, окислению кобальтовой прослойки, сложного карбида на основе вольфрама и титана, а также карбида титана. Температура в зонах контакта инструментального и обрабатываемого материалов носит флуктационный характер. При повышении температуры образующаяся полиоксидная структура подвергается сублимации.

В общем, процесс формирования, функционирования и реконструкции поверхностных полиоксидных структур носит сложный характер. Он включает образование оксидных структур, их сублимацию, химические реакции между оксидами в газовой фазе, химические реакции между оставшимися оксидами на твердосплавной поверхности, конденсацию газовых оксидов на твердосплавную поверхность, химические реакции между конденсируемыми оксидами и оксидами поверхности, деструкцию поверхностных структур (например, в процессе их износа), последующее окисление, сублимацию и т.д. Сначала в газообразное состояние переходят оксиды вольфрама и кобальта. Затем сублимации подвергаются сложные оксиды на основе вольфрама и титана, а также оксиды титана. В газовой фазе происходит дополнительное взаимодействие сублимируемых оксидов с кислородом окружающей газовой среды. Вследствие взаимодействия в газовой фазе образуются сложные оксиды и, в том числе, оксид на основе кобальта и титана. С увеличением объемной концентрации данного оксида объемная концентрация двойного оксида на основе кобальта и вольфрама снижается, а износостойкость режущих инструментов возрастает.

При частичной сублимации отдельные участки оксида титана остаются на поверхности и образуют первый слой. Между образованиями из оксида титана располагаются соединения на основе кобальта и титана. Сложные оксиды на основе кобальта и титана образуются на границе фаз в результате твердофазных реакций. Данные сложные оксиды консолидируют также связь между участками из оксида титана и непосредственно с подложкой. В результате конденсации поверх первого слоя на основе оксида титана формируется второй слой из оксида титана и сложного оксида на основе кобальта и титана. Слой из оксида вольфрама завершает полиоксидную конструкцию. Первые два слоя, сформированные в результате твердофазных и газофазных реакций, исполняют роль антидиффузионного барьера. Верхний слой исполняет роль твердой смазки и предохраняет нижележащие слои от механических и, в том числе, адгезионных разрушений. Полиоксидные структуры в соответствии с приведенной схемой формируются как в процессе резания на контактных поверхностях режущего клина, так и при нагревании образцов в муфельной электрической печи. Вхождение в состав отдельных слоев формирующегося полиоксида, сложного оксида на основе кобальта и вольфрама разрушает поверхностное структурное образование. При снижении в структуре полиоксида сложного оксидного образования CoWO₄ износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р, при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, возрастает.

Для того чтобы полиоксидная масса в зонах контакта эффективно выполняла противодиффузионные функции, прочность ее соединения с подложкой должна бать высокой. Наиболее высокая прочность соединения образующейся пленки в зонах ее контакта с подложкой будет в том случае, когда параметры кристаллической решетки компонентов, составляющих подложку, будут достаточно соответствовать параметрам кристаллической решетки, формирующихся на подложке полиоксидных образований. Это происходит, если в составе поверхностной полиоксидной структуры синтезируется достаточная концентрация сложных оксидных образований на основе кобальта и титана, параметры кристаллической решетки которых мало отличаются от параметров компонентов твердосплавной подложки. Такое соединение может формироваться только в том случае, если для формирования другого двойного оксида - на основе кобальта и вольфрама создаются существенные препятствия.

Процессы окисления, сублимации и последующей конденсации сопровождаются поглощением или выделением тепла. Последнее определяется термодинамикой и кинетикой химических реакций в пространстве ограниченном окисляемой поверхностью и поверхностью формируемой оксидной структуры. Вследствие этого температура в зонах окисления контактных поверхностей режущего инструмента или поверхностей твердосплавного образца в электрической печи непрерывно подвергается колебаниям. Процессы повышения или снижения температуры также тесно связаны с повышением или снижением концентрации кислорода, поступающего в зоны окисления. Особенности процессов окисления, сублимации и конденсации характеризуют свойства образующихся в итоге поверхностных полиоксидных структур. В свою очередь эксплуатационные характеристики твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р существенно зависят от свойств данных полиоксидных структур.

Оксиды в газовой фазе взаимодействуют между собой и, одновременно, подвергаются дополнительному окислению за счет кислорода окружающей газовой среды, поступающей в межконтактное пространство. Дополнительное окисление поступающего в газовую фазу сублимируемого полиоксида создает значительное пересыщение пара. При конденсации пересыщенной газообразной среды, на этапе ее переохлаждения, сопровождаемого снижением температуры на контактных поверхностях, образуется поверхностная полиоксидная структура, состоящая, в том числе, из отдельных оксидов и сложных оксидных образований.

Процессы первичного окисления поверхности, сублимации оксидов, дополнительного их окисления в газовой фазе, конденсации парообразного состояния, дополнительного окисления конденсированного на поверхность пара, последующего этапа сублимации и т.д. происходят непрерывно между отдельными этапами разрушения полиоксида. Данная последовательность характерна как для явлений, происходящих в процессе эксплуатации твердосплавных режущих инструментов, так и при нагревании твердосплавных образцов в электрической муфельной печи. Прерывистость окисления твердосплавной поверхности в электрической печи характеризуется образованием периодической структуры. В итоге, непосредственно на твердосплавной поверхности непрерывно формируется и некоторое время существует слой из оксида титана, консолидированный сложными соединениями из оксидов кобальта и титана. Эта конструкция обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики режущему инструменту. В результате ее эффективного функционирования твердофазные и газофазные реакции обрабатываемого материала и кислорода окружающей газовой среды с твердосплавной поверхностью значительно замедляются. Слои из оксида вольфрама обеспечивают защиту нижележащих слоев от механического и адгезионного разрушения. В итоге функционирования данного механизма защиты контактных граней режущего клина износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р, при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, возрастает. Периодически защитная полиоксидная структура, состоящая как минимум из трех частей - разрушается и заменяется вновь формирующейся.

Формирование поверхностной полиоксидной структуры на твердосплавной поверхности в данном случае происходит в результате окисления, сублимации, конденсации и т.д. Атомы и молекулы сублимата при конденсации захватываются поверхностью, диффундируют к активным участкам и образуют зародыши. В качестве активных участков могут быть уступы, трещины, дислокации, выходящие на поверхность и т.д. Устойчивыми зародышевыми образованиями могут быть только те атомные и молекулярные объединения, которые в результате адсорбции и накопления их в активной области достигают критических размеров и не подвергаются последующей десорбции. Те объединения атомов и молекул, которые не достигают критических размеров, вновь возвращаются в газовую фазу.

Процессы адсорбции - десорбции происходят непрерывно. Преобладание адсорбции происходит при придельном разделении газовой среды на отдельные фазы. Достаточное поступление кислорода в межконтактное пространство и высокое пересыщение газа повышает вероятность образования оксидов на основе кобальта и титана и снижает интенсивность образования оксидов на основе кобальта и вольфрама.

Зародыши из газообразного полиоксидного вещества образуются как на гладкой бездефектной твердосплавной поверхности, так и на поверхности, имеющей дефектную структуру. Более устойчивое формирование зародышей происходит на поверхностях кристаллической решетки содержащей высокую концентрацию дефектов атомных размеров. В этом случае рост поверхностной полиоксидной структуры по незавершенным дефектным граням - ступеням энергетически более выгоден, так как конденсируемые атомы сублимата образуют одновременно связь не с одним, а с двумя и более атомами поверхности. Для конденсации сублимата и образования устойчивого зародыша необходима достаточная степень переохлаждения газообразного полиоксидного состояния. Образовавшийся при охлаждении зародыш может, в дальнейшем, путем присоединения к себе новых адсорбируемых атомов расширяться и формировать сплошную или прерывистую поверхностную структуру. С увеличением степени переохлаждения конденсированного пара прочность соединения зародыша с поверхностью, на которой он размещается, возрастает. В данном случае другие конденсируемые атомы и молекулы присоединяются с более высокой вероятностью к уже надежно закрепившемуся на поверхности зародышу. Такой порядок формирования слоистой полиоксидной структуры происходит как на контактных поверхностях режущего инструмента, так и на поверхностях твердосплавного образца в муфельной электрической печи.

Прочность соединения зародыша с поверхностью определяется также углом смачивания конденсируемой массы на твердосплавной поверхности. Величина угла смачивания зависит от многих факторов. С уменьшением величины угла смачивания прочность соединения зародыша с поверхностью возрастает. Вероятность последующей сублимации и образования в сублимированном состоянии сложного оксида на основе кобальта и вольфрама снижается. В этом случае концентрация газообразного оксида, выполняющая роль газообразной смазки, снижается. Одновременно повышается интенсивность образования сложного оксида на основе кобальта и титана на окисляемой поверхности. В результате этого износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, возрастает.

Зародышевый механизм роста полиоксидных слоев на твердосплавной подложке наиболее полно реализуется в результате конденсации газового сублимата на атомно-гладких плотноупакованных гранях малодефектных кристаллов с низкими индексами Миллера. Взаимодействие между конденсируемыми атомами в газообразной среде в этом случае значительно меньше, чем между формируемым слоем и подложкой. Рост оксидных пленок происходит путем начального образования двухмерных или трехмерных зародышей, которые в дальнейшем разрастаются в сплошную пленку на поверхности твердосплавной подложки. Вероятность образования зародышей возрастает только при достаточном пересыщении газообразного оксида. Процесс разрастания и слияния зародышей заключается в доставке газовой фазы к поверхности, в адсорбции газообразных полиоксидных частиц на поверхности, в поверхностной диффузии адсорбированных атомов к критическим зародышам с превращением их в центры кристаллизации. Итоговая скорость роста пленки в результате процесса конденсации газообразного полиоксида лимитируется наиболее медленным из приведенных этапов. В каждом конкретном случае окисления режущего инструмента при его использовании на станке или в электрической печи лимитирующим фактором образования зародышей при конденсации газообразных полиоксидов может оказаться любой из указанных этапов вследствие многих факторов, оказывающих влияние на изготовление твердосплавных образцов и определяющих их свойства.

Полностью процесс зародышевого механизма формирования пленочных оксидных слоев включает: диффузию и взаимодействие адсорбированных атомов на поверхности, образование скопления атомов - кластеров, образование критических зародышей, разрастание зародышей за счет соседних с ними образований, превращение разрастающихся зародышей в островки, слияние островков, заполнение пустот между островками, образование сплошной пленки осаждаемого материала. При кристаллизации вещества, осаждаемого из газовой фазы, структурный порядок в формирующихся оксидных пленках обеспечивается в основном подвижностью атомов на подложке и предпочтительностью взаимодействия между отдельными группами атомов. Высокая скорость перемещения атомов на подложке способствует преимущественному росту ориентированных зародышей.

В зависимости от ориентирующих свойств подложки при конденсации на поверхности могут формироваться полиоксидные образования с различным структурным и фазовым состоянием. Ориентирующие свойства подложки определяются соответствием параметров кристаллической решетки составляющих ее компонентов параметрам кристаллической решетки полиоксидной структуры, формирующейся при конденсации из газообразного состояния. С приближением параметров кристаллической решетки к параметрам кристаллической решетки конденсируемого пара ориентирующие свойства подложки возрастают. Если атомы после конденсации закрепляются непосредственно в области их падения, то возникает большое числа зародышей, создающих мелкозернистую пленку. Такое происходит при достаточно низких температурах конденсации и при наличии примесных атомов на подложке, стабилизирующих зародыши и снижающих подвижность адсорбированных атомов. Возможное последующее импульсное или стационарное действие высоких температур в зонах контакта может превратить сформированную поверхностную полиоксидную пленочную структуру в крупнозернистую.

На рассматриваемые структурные и фазовые превращения в поверхностной полиоксидной массе большое влияние оказывает характер газофазных и твердофазных реакций между оксидами титана, вольфрама и кобальта. Преимущественное взаимодействие кобальта с вольфрамом ускоряет диструкцию поверхностного полиоксидного слоя в зонах контакта, а взаимодействие оксидов кобальта и титана его стабилизируют.

Если взаимодействие между конденсируемыми атомами в газообразной среде значительно больше, чем между формируемым слоем и подложкой, то в этом случае реализуется послойный рост поверхностных полиоксидных пленок. Послойный механизм роста оксидных слоев реализуется при наличии на поверхности твердосплавной подложки ступенчатого рельефа, источником которого может быть достаточно высокая шероховатость граней с высокими индексами Миллера. Эти грани в свою очередь образуются участками плотноупакованных плоскостей с низкими индексами Миллера. Непрерывные тепловые флуктуации, возникающие при высокотемпературном нагревании твердосплавных режущих инструментов или образцов, приводят к появлению изломов в ступенях. При послойном механизме образования полиоксидных поверхностных структур отпадает необходимость в образовании зародышей, так что процесс роста пленки состоит последовательно из адсорбции частиц газообразной фазы твердосплавной поверхностью подложки, поверхностной диффузии атомов непосредственно к ступеням, движения атомов вдоль ступеней с окончательным закреплением их в изломе. Так как ступень образует двухгранный угол, а излом - трехгранный, то атом, находящийся в изломе, должен быть сильнее связан с подложкой, чем атом, расположенный в углу ступени, а последний сильнее связан, чем атом, адсорбированный гладкой поверхностью. В процессе осаждения вещества каждая такая ступень на шероховатой поверхности подложки последовательно застраивается частицами, непосредственно поступающими из газообразного сублимата, минуя стадию зародышеобразования. Результатом последовательного застраивания и перемещения ступеней является каждый новый атомный оксидный слой. На гранях кристаллической решетки с высокими индексами Миллера ступени образуются при любых реальных температурах, действующих в зонах контакта при резании сталей.

При конденсации ступени полностью не зарастают, а процесс образования и роста этих граней идет непрерывно при любых, даже очень малых пересыщениях. Колебания температуры или концентрации осаждаемых частиц при конденсации разрушают идеальные атомно-гладкие грани кристаллической решетки, придавая им атомно-шероховатую ступенчатую структуру. Атомно-шероховатая грань с большим числом равномерно распределенных изломов на поверхности кристаллов распространяется в перпендикулярном направлении по отношению к подложке, так как осаждающиеся атомы присоединяются к закрепленным атомам практически в любой точке своего падения, находя там энергетически выгодное место для своей локализации. Кроме этого, если на осаждаемой поверхности сосредоточена высокая концентрация выходов винтовых дислокаций, то в этом случае рост оксидных пленок из парогазовой фазы становится возможным даже на гранях кристаллов с низкими индексами Миллера, и даже при весьма малых пересыщениях, когда зародышевый механизм практически исключен.

Карбидные зерна, как и кобальтовая прослойка твердых сплавов группы применяемости Р, имеют высокую плотность краевых и винтовых дислокаций. Выход винтовых дислокаций создает на поверхности подложки ступень с изломом, неисчезающую в процессе ее спирального застраивания. Наличие неисчезающей ступени предполагает рост оксидных слоев без образования зародышей и, исключительно, незначительных пересыщениях. При дислокационном механизме ступень вращается вокруг оси винтовой дислокации, образуя спиральную поверхность роста в виде пирамиды. Наиболее высокая концентрация сложных оксидов на основе кобальта и титана формируется на границах контакта фаз в области пересечения нескольких дислокаций. Концентрация формируемых в газовой фазе оксида на основе кобальта и вольфрама при этом снижается, вследствие низкой концентрации дефектов в структуре кобальтовой компоненты.

Данный механизм в формировании полиоксидных структур на контактных поверхностях твердосплавного режущего инструмента, а также на окисляющейся поверхности твердосплавного образца в электрической муфельной печи является реальным. Этому способствует также низкая трещиностойкость зерен карбида титана и сложного карбида на основе титана и вольфрама и, соответственно, высокая развитость поверхностной структуры, образующейся при их разрушении. Вследствие этого послойный механизм формирования поверхностных полиоксидных структур для твердосплавных группы применяемости Р режущих инструментов наиболее характерен.

Из анализа износа твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р следует, что наиболее вероятным механизмом формирования поверхностной полиоксидной структуры на контактных поверхностях режущего клина или на поверхности образцов при их окислении в электрической печи является комбинированный механизм с преобладанием зародышевого способа. Причем, доля зародышевого механизма возрастает с увеличением в составе твердых сплавов концентрации титановой компоненты и снижения вероятности образования оксида на основе кобальта и вольфрама.

В соответствии с комбинированным механизмом сначала на локальных малодефектных участках структуры поверхности формируются полиоксидные пленки по зародышевому механизму. Процесс разрастания таких островковых образований ограничивается дефектными участками, а также межзеренными и межфазными границами. Остальная площадь, на которую конденсирует газообразный полиоксид, заполняется по слоевому механизму. С увеличением доли участия зародышевого механизма в формировании поверхностной полиоксидной структуры концентрация двойного оксида на основе кобальта и вольфрама в его составе снижается. Это обусловлено последовательностью конденсации газообразного оксида и взаимодействием в первую очередь кобальтовой компоненты с титановой. Функционирование зародышевого механизма формирования полиоксидных структур на твердосплавной поверхности обеспечивает высокую прочность их соединения с подложкой.

Присутствие двойных оксидов на основе кобальта и титана в составе полиоксида приводит к его упрочнению вследствие интенсивного образования твердых растворов между титаносодержащими и другими оксидами. При переохлаждении пара на поверхность в первую очередь осаждаются оксиды титана и сложные титаносодержащие оксиды. Данные оксидные соединения взаимодействуют с оксикарбидными соединениями титана, принадлежащими поверхности и не подвергавшимися сублимации. В результате формируется прочная связь между подложкой и конденсируемыми оксидами титана. Участки осаждаемого оксида титана консолидируются с оксидом поверхности и сложными оксидными соединениями на основе кобальта и титана. С увеличением концентрации сложных оксидных соединений прочность связи отдельных участков оксида титана между собой и с оксикарбидной поверхностью возрастает.

Одним из условий формирования высокой прочности соединения осаждаемого пара с поверхностью является наличие на подложке оксикарбидных соединений. Такими соединениями являются оксикарбиды на основе титана и титана и вольфрама. Данные соединения имеют высокую температуру плавления и не подвергаются сублимации наряду с оксидными соединениями. Вместе с тем, оксикарбидные соединения взаимодействуют с кобальтом и образуют сложные оксикарбидные соединения на основе кобальта и титана. Данные соединения становятся промежуточными структурами между твердосплавной подложкой и формирующимся полиоксидом. Промежуточные структуры существенно снижают напряжения в образовании связей между полиоксидом и твердосплавной поверхностью. Таким образом, поверхность после сублимации содержит в основном участки оксикарбидных и оксидных соединений титана и сложные оксиды на основе кобальта и титана. На этот слой конденсируют оксиды титана, сложные оксиды на основе кобальта и титана, сложные оксиды на основе титана и вольфрама, сложные оксиды на основе кобальта и вольфрама, оксиды вольфрама. Интенсивное образование на твердосплавной поверхности оксидов на основе кобальта и титана существенным образом снижает в составе полиоксида общую концентрацию оксидов на основе кобальта и вольфрама - CoWO₄ и приводит к повышению износостойкости режущих инструментов.

Одна часть образующегося газообразного полиоксида в составе оксида вольфрама, сложного оксида на основе кобальта и вольфрама, сложного оксида на основе титана и вольфрама конденсирует на обрабатываемую поверхность и внутреннюю поверхность стружки и выполняет роль смазки. Другая часть, состоящая из оксида титана и сложного оксида, на основе кобальта и титана конденсирует на твердосплавную поверхность. С увеличением степени переохлаждения газообразного полиоксида концентрация конденсируемого пара на твердосплавную поверхность возрастает, а концентрация оксида, осуществляющего смазку, снижается. С уменьшением степени переохлаждения газообразного оксида концентрация конденсируемого пара на твердосплавную поверхность снижается, а концентрация газообразного оксида, осуществляющего газообразную смазку, повышается.

Наиболее благоприятным механизмом формирования поверхностных полиоксидных структур является тот, когда между конденсированным паром и оксикарбидной подложкой размещаются оксидные пленки титана, консолидируемые сложными оксидными соединениями на основе кобальта и титана. Оксид титана имеет параметры кристаллической решетки, достаточно близкие к оксикарбиду титана, входящему в состав подложки, и к оксиду на основе кобальта и титана. Вследствие этого конденсируемый оксид титана и оксид титана, не подвергавшейся сублимации, приобретает высокую прочность соединения с твердосплавной поверхностью.

Для интенсивной конденсации и адсорбции газовых молекул на твердосплавную поверхность непременным условием является существенное пересыщение и последующее переохлаждение газообразного оксида. Сублимат состоит из газообразных оксидов титана, вольфрама и кобальта. Теплота сублимации для оксида титана значительно выше по сравнению с теплотой сублимации оксида кобальта и оксида вольфрама. Вследствие этого пересыщенность пара значительно возрастает за счет увеличения в газообразном сублимате концентрации оксида вольфрама. Пересыщение сублимата, соответственно, сопровождается увеличением давления в пространстве между окисляющейся поверхностью твердого сплава и уже образовавшимся оксидным слоем. Образующаяся полиоксидная структура в связи с этим при конденсации пара равномерно распределяется на осаждаемой поверхности и при многократной сублимации - конденсации принимает слоистое строение. Ее толщина зависит от промежутка времени между актами сублимации - перехода образовавшегося полиоксидного слоя в газообразное состояние и интенсивностью разрушения - истирания полиоксидной структуры. С увеличением прочности поверхностного полиоксида и прочности его соединения с твердосплавной поверхностью частота его разрушения и соответственно частота окисления, сублимации и конденсации снижается. Это происходит в результате снижения интенсивности образования в межконтактном пространстве сложного оксида на основе кобальта и вольфрама. Эффективность полиоксидной массы, как антидиффузионного и трибологического фактора, в данном случае возрастает.

При сублимации полиоксида с твердосплавного образца, нагреваемого в муфельной печи, формируется также слоистая полиоксидная структура. Причем, вероятно также некоторая часть высокоэнергетических молекул полиоксида конденсируется на уже сформировавшуюся слоистую полиоксидную структуру, а другая часть с низкоэнергетическими молекулами конденсируется обратно на твердосплавную поверхность и активизирует процесс последующего окисления и сублимации.

Межконтактное пространство при резании металлов расширяется вследствие образования на контактных поверхностях режущего клина бороздок, кратеров, трещин и др. дефектов. С увеличением удельного объема износа увеличивается соответственно объем образующегося полиоксида и объем газообразного сублимата. Вследствие этого расширение межконтактного пространства приводит к росту степени пересыщения сублимированного газового состояния. Процесс образования и реконструкции полиоксидных пленок на контактных поверхностях за счет сублимации - конденсации происходит периодически при увеличении - снижении плотности контакта и поступления в межконтактное пространство кислородных молекул окружающей газовой среды. Интенсивная сублимация оксидов происходит при достижении высокой степени окисления поверхностных соединений, высокой плотности контакта и образовании низкого давления в межконтактном пространстве. Как правило, процесс конденсации сублимированного пара и поступление кислорода окружающей газовой среды в межконтактное пространство происходит одновременно. Совместное действие данных факторов способствует образованию оксидов на основе кобальта и титана и создает препятствия для образования оксидов на основе кобальта и вольфрама.

С образованием газового оксида концентрация оксидной структуры на поверхности снижается, увеличивается коэффициент трения, плотность контакта и соответственно давление пара в межконтактном пространстве. При росте давления пара и степени пересыщения роль образующейся полиоксидной массы как твердой смазки возрастает. Одновременно повышение давления в межконтактном пространстве способствует более интенсивному процессу реконструкции поверхностной полиоксидной структуры, формированию у структуры свойств, препятствующих ее разрушению даже при действии максимальных сдвигающих напряжений. Это приводит к снижению коэффициента трения и износа поверхностной структуры. Поступающий в межконтактное пространство кислород окружающей газовой среды интенсифицирует образование различных двойных оксидов на основе кобальта и титана и повышает антидиффузионную эффективность поверхностной полиоксидной структуры. Фазовый состав пара зависит от состава и дефектности структуры полиоксида, сформированного на твердосплавной поверхности. Последовательность сублимации оксидных образований оказывает большое влияние на состав пара и порядок дальнейшей конденсации газовых компонентов. Последнее определяет в полиоксиде соотношение концентраций двойных оксидов на основе кобальта и вольфрама - с одной стороны и кобальта и титана - с другой.

При испарении полиоксида испаряются в первую очередь атомы оксида вольфрама. С мест, прежде всего, в газообразное состояние переходят атомы, расположенные в вершинах кристаллической решетки, связанные слабее других с кристаллом. Сначала в газовую фазу последовательно переходят атомы всего оксидного ряда отдельной кристаллической решетки, затронутого испарением. После сублимации всех атомов ряда следует некоторый перерыв в испарении, связанный с необходимостью накопления повышенной энергии для отрыва крайнего атома другого ряда. В это время могут начать испаряться атомы кристаллической решетки оксида кобальта. После испарения некоторого числа ряда атомов кристаллической решетки оксида вольфрама и кобальта и достаточного повышения энергии активации в зонах нагрева может начаться процесс испарения атомов решетки оксида титана. Повышение разницы в энергии активации испарения вольфрама и кобальта, а также снижение разницы в энергии активации испарения кобальта и титана способствуют снижению вероятности образования оксидов на основе вольфрама и кобальта и повышению образования оксидов на основе кобальта и титана. На величину энергии испарения и соответственно последовательность сублимации оксидов большое влияние оказывает дефектность кристаллов. Наличие вакансий или, наоборот, примесей внедрения и замещения может оказать большое влияние на очередность процесса сублимации отдельных оксидов и соответственно на структуру полиоксидного формирования, образующегося в процессе последующей конденсации пара на контактные поверхности. На скорость окисления компонентов твердосплавной структуры и последующий порядок сублимации атомов сформированной поверхностной полиоксидной структуры на карбидных зернах и кобальтовой прослойке большое влияние оказывает предшествующая технология получения порошковой массы карбидных зерен и кобальта, а также технология спекания твердосплавной композиции. С увеличением времени размола карбидной и кобальтовой компонент скорости их окисления и последующей сублимации как в зонах контактных поверхностей, так и в электрической печи интенсифицируется. Между газообразными оксидами при этом возникает более высокая вероятность формирования сложных оксидных соединений. Основной причиной интенсификации окисления поверхностей и сублимации оксидов является снижение барьера для протекания химических реакций окисления и испарения. Это происходит вследствие образования при размоле у кристаллической решетки компонентов твердых сплавов различного вида и сочетания дефектов. Вакансии, сочетания вакансий, примесные атомы являются активными центрами, облегчающими процесс электронного и атомного обмена между реагирующими веществами. Увеличение концентрации дефектов приводит к росту скорости окисления и испарения твердосплавных компонентов.

Наряду с размолом, большое влияние на процесс окисления и испарения оксидов большое влияние оказывает состояние углерода кристаллической решетки титана. Процесс окисления сопровождается снижением энергии связей в решетке карбида титана и выделением окиси углерода. Растущее давление окиси углерода в межконтактной области уменьшает температуру образования сложных оксидных образований между кобальтом и титаном. Выделение окиси углерода происходит на границе фаз, что способствует взаимодействию оксикарбидного зерна титана и кобальтовой прослойки. Процесс сопровождается образованием двойных оксидов на основе кобальта и титана. Формированию сложных оксидных образований в виде двойных оксидов могут способствовать также примесные атомы алюминия и редкоземельных элементов. Данные примеси повышают энергию активации окисления и сублимации кобальта, снижают вероятность образования оксидов на основе кобальта и вольфрама и повышают вероятность образования оксидов на основе кобальта и титана.

При окислении твердосплавных группы применяемости Р инструментальных материалов образуются оксиды TiO₂, Ti₃O₅, TiO, CoTi₃O₅, CoTiO₃, Co₂TiO₄, Co₃Ti₃O и др. Процессу окисления и испарения указанных оксидов способствует каталитическая активность оксидов вольфрама и кобальта, входящих в состав формирующегося при окислении полиоксида. Вследствие этого процесс сублимации оксидов происходит в диапазоне реальных температур, образующихся в зонах контакта при резании сталей. В газообразном сублимате обнаруживаются оксиды титана представленных выше составов, а также сложные оксидные соединения на основе титана, вольфрама и кобальта. Процесс окисления и образования газообразных оксидов наиболее эффективно происходит в полостях и трещинах карбидных зерен и кобальтовой прослойки. Оксид титана TiO₂, образуется преимущественно при окислении сложных карбидов на основе титана и вольфрама, а оксиды Ti₃O₅ и TiO образуются при окислении карбида титана. В первую очередь подвергается сублимации оксид титана состава TiO2. Процесс взаимодействия данного оксида и оксида кобальта происходит в газовой фазе. Взаимодействие твердофазных оксидов Ti₃O5 и TiO с газообразным оксидом кобальта происходит на твердосплавной поверхности. Сложный поверхностный оксид на основе кобальта и титана и сложный оксид такого же состава, конденсируемый из газовой фазы, совместно с поверхностным оксидом титана создают эффективный антидиффузионный барьер, ограничивающий активность твердофазных реакций между инструментальным и обрабатываемым материалом и обеспечивающий рост износостойкости режущих инструментов

Снижение в составе поверхностного полиоксидного образования, принадлежащего режущему клину, сложного оксида на основе кобальта и вольфрама CoWO₄ приводит к повышению износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р. Это происходит за счет увеличения в составе поверхностного полиоксидного образования оксида титана различного состава и сложных оксидов на основе кобальта и титана. Поверхностный полиоксид формируется за счет различных механизмов окисления, сублимации и последующей конденсации газообразных оксидов. Преобладание того или иного механизма формирования полиоксида зависит от многих факторов, которые в общем и определяют свойства данного поверхностного диссипативного образования.

Таким образом технология изготовления твердых сплавов, их состав и другие факторы, способствующие снижению образования в межконтактном пространстве оксида - CoWO₄ приводит к повышению износостойкости режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ.

Существенно важной особенностью предлагаемого способа является то, что в соответствии с его приемами - без дополнительных затрат и технических трудностей представляется возможным проводить более объективный и точный прогноз 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 Р большое влияние оказывают различные виды упрочняющей обработки. И в данном случае между интенсивностью пика сложного оксида на дифрактограмме, полученной при анализе полиоксидных структур, и эксплуатационными характеристиками твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, наблюдается также устойчивая корреляционная связь. И для данных твердосплавных материалов соблюдается условие: при увеличении способности поверхностной полиоксидной структуры генерировать в своем составе оксиды на основе кобальта и титана и при одновременном снижении образования оксидов на основе кобальта и вольфрама износостойкость твердосплавных режущих инструментов возрастает. Соответственно предлагаемый способ прогнозирования для оценки эксплуатационных характеристик, упрочненных режущих инструментов, также применим.

Реализация способа производится последовательно проходя несколько этапов. Сначала твердосплавные режущие инструменты, например режущие пластины, подвергают испытанию в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. После испытаний на износостойкость режущие инструменты подвергают окислению в открытой муфельной электрической печи. Затем окисленный слой снимается с поверхности твердосплавного образца, измельчается, помещается в кювету специальной конструкции и подвергается фазовому анализу на дифрактометре.

Рентгенофазовый анализ проводится путем обработки дифрактограмм исследуемых образцов, полученных на дифрактометре Shimadzu XRD - 7000S. В качестве исследуемых образцов использовали полиоксиды, полученные при окислении твердосплавных режущих инструментов. Данные режущие инструменты из твердого сплава Т15К6 предварительно подвергались испытаниям на износостойкость при резании стали 45, вызывающей интенсивный диффузионный износ. Температура окисления твердосплавных режущих инструментов в открытой муфельной электрической печи примерно соответствовала температуре, действующей в зонах контакта режущего и обрабатываемого материалов, и составляла 980°C. Продолжительность окисления составляла 1 час. Дифракционные картины на дифрактометре получали с использованием Cu Кα₁/α₂ излучения. При проведении эксперимента режимы работы дифрактометра были следующие: скорость сканирования - 2° в минуту, шаг сканирования - 0,03°, диапазон сканируемых углов 10-90°, продолжительность накопления информации в точке составляло 1,5 секунд.

Для проведения исследования полиоксид помещался в стандартную кювету с рабочей поверхностью диаметром 15 мм и глубиной микрорельефа на рабочей поверхности 0,5 мм. Кювета, в свою очередь, помещалась в специальный держатель дифрактометра. Напряжение на рентгеновской трубке с медным анодом составляло 40 кВ, а ток 30 мА. Время сканирования одного образца составляло примерно 80 мин. По завершении сканирования прибор автоматически отключался. После этого полученная дифрактограмма подвергалась обработке на определение количественного состава фаз в исследуемом образце. Фазовый состав определялся методом Ритвельда с использованием стандартного программного обеспечения. В состав стандартного обеспечения входили программа Powder Cell 2.4, а также программа Cristallographica Search - Match., определяющие количественный состав искомой фазы в полиоксидном поверхностном образовании. Определение фазового состава смеси начинают с идентификации рефлекса с наибольшей интенсивностью. Для этого на рентгенограмме выделяют самую интенсивную линию и идентифицируют ее с эталонными рефлексами. Затем идентификацию проводят для рефлексов с меньшей интенсивностью линий. После этого сравниваются положения и интенсивности всех рефлексов определяемой фазы на дифрактограмме с положениями и интенсивностями этой же фазы на эталонной дифрактограмме. Затем в соответствии с методом Ритвельда интенсивности всех рефлексов определяемой фазы полностью суммируются по всему профилю дифрактограммы. Как было установлено двойной оксид на основе кобальта и вольфрама распределяется в полиоксидном формировании равномерно. Вследствие этого для определения его концентрации достаточно взять пробу для анализа в любом месте образца.

Прогнозирование износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, заключается в том, что сначала производят стойкостные испытания твердосплавных режущих инструментов, взятых из двух выборок у полученной партии твердосплавной продукции, определяют износостойкость каждого режущего инструмента, определяют средние значения износостойкости для режущих инструмента из каждой выборки, производят подготовку образов (производят окисление в открытой муфельной электрической печи), измельчают полиоксидную массу и помещают оксидные пробы по очереди в кювету дифрактометра Shimadzu XRD - 7000S для проведения измерений.

Вследствие различных причин, возникающих при приготовлении компонентов твердых сплавов, формовании порошков, спекании формовок, вследствие различных условий, возникающих при испытании режущих инструментов, концентрация двойного оксида в полиоксидном образовании, оказывается различной.

В результате сравнения результатов, полученных при испытаниях режущих инструментов на металлорежущем станке, с результатами, полученными при определении объемной концентрации двойного оксида, на основе кобальта и вольфрама в полиоксидном образовании, была установлена достаточно тесная корреляционная связь между износостойкостью и концентрацией двойного оксида.

В соответствии с последним износостойкость режущих инструментов увеличивается, с уменьшением объемной концентрации в полиоксидном образовании двойного оксида на основе кобальта и вольфрама. При этом для прогнозирования износостойкости используют зависимость (1) а также пользуются графиком зависимости «износостойкость - объемная концентрация двойного оксида», полученными ранее при испытании - прогнозировании износостойкости эталонных (первичных) партий твердосплавных режущих пластин.

На фиг. 1 представлена эталонная зависимость «износостойкость - объемная концентрация двойного оксида», на основании которой производится прогнозирование износостойкости твердосплавных группы применяемости Р режущих пластин, при резании ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ.

На фиг. 2 представлена примерная схематическая зависимость изменения рефлексов - объемной концентрации двойных оксидов на дифрактограмме, полученных для некоторых образцов.

Формирование в составе поверхностной полиоксидной структуры двойного оксида последовательно отражает все этапы изготовления твердосплавного материала и условия его эксплуатации. С учетом этого образование двойного оксида в полиоксиде зависит от состава твердых сплавов, наличия тех или иных примесей, особенности размола порошков, технологии получения порошков, технологии получения карбидов, особенности спекания, состава газовой среды, используемой при получении порошков и их спекании.

Путем целенаправленного управления и регулирования указанными факторами можно создавать условия, при которых в полиоксидной структуре твердых сплавов будет формироваться наименьшая концентрация двойного оксида на основе кобальта и вольфрама. Вследствие этого антидиффузионные и диссипативные свойства поверхностной полиоксидной структуры возрастают. При этом с уменьшением концентрации двойного оксида в поверхностной полиоксидной структуре износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, повышается.

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 инструментов группы применяемости Р марки Т15К6 подвергаются испытаниям на износостойкость на токарно-винторезном станке модели 163. В качестве обрабатываемого материала использовалась углеродистая сталь 45, вызывающая интенсивный диффузионный износ режущего инструмента. Скорость резания при испытаниях выбиралась равной - 180 м/мин. Подача и глубина резания принимались соответственно 0,23 мм/об и 1,5 мм. Резание осуществлялось без охлаждения. За критерий затупления (потери режущих свойств) принимался износ режущих инструментов по задней поверхности, равный 0,8 мм.

Стойкость (T_1i) для образцов из 10 штук первой эталонной партии составила: 42,8; 40,6; 39,4; 38,2; 37,2; 36,8; 36,4; 35,2; 34,4 мин. Среднее значение стойкости составило 37,38 мин.

Стойкость (T_2i) для образцов из 10 штук второй эталонной партии составила: 42,5; 41,8; 41,0; 41,0; 40,1; 38,8; 38,5; 36,6; 35,8; 34,7; 34,6 мин. Среднее значение стойкости составило 37,57 мин.

Затем испытанные твердосплавные режущие инструменты подвергались окислению в открытой электрической печи. Температура нагревания составляла - 980°C. Продолжительность окисления составляла 1 час. После окончания окисления необходимое количество (2-3 г) сформированной на твердосплавных режущих инструментах полиоксидной массы отделялось от твердосплавной поверхности и подвергалось измельчению. Измельченная полиоксидная масса помещалась на рабочую шероховатую поверхность стандартной кюветы, а сама кювета в рабочую зону дифрактометра. При этом полиоксидная масса, помещенная на рабочую поверхность кюветы, вдавливалась в микрорельеф специальной пластинкой. Оставшаяся незакрепленная полиоксидная масса той же пластинкой удалялась с поверхности кюветы. В процессе рентгенофазового анализа определялось объемное содержание искомой фазы - двойного оксида на основе кобальта и вольфрама в процентах по отношению ко всему объему образующегося полиоксидного формирования для каждого образца, полученных при окислении испытуемых режущих инструментов. С уменьшением объемной концентрации двойного оксида в поверхностном полиоксидном образовании эффективность формируемой в процессе резания поверхностной полиоксидной структуры, как экрана против диффузионного взаимодействия контактных поверхностей, возрастает, а износостойкость твердосплавных режущих инструментов повышается.

На основании обработки дифрактограмм определялась общая площадь под всеми рефлексами, созданными фазой. Чем меньше площадь, тем меньше концентрация двойного оксида, тем эффективнее экранируется диффузионное взаимодействие в зонах контакта инструментального и обрабатываемого материалов, тем выше итоговая износостойкость режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. С уменьшением объемной концентрации двойного оксида износостойкость возрастает. Итогом контроля твердосплавных режущих инструментов с помощью программного обеспечения является определение площади рефлексов, зависящей от их ширины и высоты. С уменьшением площади рефлексов концентрация двойного оксида уменьшается. Снижение ширины рефлекса указывает на степень деградации газофазных и твердофазных реакций между оксидами кобальта и вольфрама в поликсидном образовании. Снижение высоты рефлекса указывает на уменьшение общей концентрации двойного оксида в полиоксидном образовании.

Схемы графиков главных рефлексов, получаемых на дифрактограмме, для некоторых образцов из полиоксидных формирований представлены на фиг 2. С помощью компьютерных программ определяли площадь под каждым из них и определяли объемное процентное содержание двойного оксида в полиоксиде. Найденную концентрацию (объемное процентное содержание двойного оксида в полиоксиде) обозначали буквой V. Данный параметр - V отражает объемное процентное содержание двойного оксида в общем составе полиоксида. Для первой партии режущих инструментов получили следующие данные по интегральному параметру V_1i (величина площади под рефлексами данной фазы - двойного оксида к площади под всеми рефлексами остальных оксидов) в порядке, соответственно, с их ранее полученным при испытаниях на износостойкость: 18,20; 18,90; 19,40; 19,75; 20,30; 20,60; 20,80; 21,10; 21,20; 21,90. Средняя величина концентрации (объема) двойного оксида в процентах по отношению ко всему объему полиоксида составила: 20,03.

Для второй партии режущих инструментов получили следующие данные по параметру V_2i (процентное содержание искомой фазы) в порядке соответственно также с их ранее полученным при испытаниях на износостойкость: 18,20; 18,55; 18,80; 18,85; 19,20; 19,55; 19,80; 20,5; 20,80; 21,25. Средняя величина концентрации (объема) двойного оксида в процентах по отношению ко всему объему полиоксида составила: 19,55.

На основании полученных ранее результатов по определению износостойкости твердосплавных режущих инструментов (Т_мин) и значений концентрации двойного оксида в объемных процентах, характеризующей антидиффузионную эффективность поверхностной полиоксидной структуры, строится график зависимости «износостойкость - Т - объемная концентрация двойного оксида - V»

В соответствии с вышеприведенными формулами определяют а_э и b_э, которые равняются: а_э=4,44; b_э=-126,45.

На фиг. 1 представлена зависимость износостойкости режущих пластин из Т15К6 группы применяемости Р, соответственно, для выборок 1 и 2 при обработки ими углеродистой стали 45 от объемной концентрации двойного оксида в полиоксидном образовании. Для осуществления прогнозирования износостойкости у твердосплавных режущих инструментов в последующей текущей (изготовленной или полученной) и предназначенной для потребления партии твердосплавной продукции производят измерение только процентное - объемное содержание двойного оксида в полиоксидных образованиях, сформированных на твердосплавной поверхности режущих инструментов. Так, например, при прогнозировании износостойкости у очередной партии твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р на дифрактометре Shimadzu XRD - 7000S были получены следующие значения объемного процентного содержания двойного оксида в полиоксидных поверхностных формированиях: 17,85; 18,2, 18,5; 18,8; 19,3, 19,5, 20,3; 20,8; 21,0; 21,6. Среднее значение из полученных данных составило 19,59. В соответствии с вышеприведенными формулами, а также полученными ранее а_э и b_э определяют Т_пт, которое равняется: Т_пт=39,52 мин.

Таким образом, прогнозируемая средняя износостойкость у текущей партии твердосплавных режущих инструментов составила 39,52 мин.

Контрольные испытания износостойкости в процессе резания на металлорежущем станке показали следующие результаты по износостойкости: 44,0; 43,0; 42,2; 41,5; 40,3; 39,8; 37,7; 36,1; 35,4; 33,8 мин. Среднее значение составило 39,38 мин.

При осуществлении прогнозирования износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость проведения дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость на металлорежущих станках. Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной корреляционной связи между объемным процентным содержанием двойного оксида в полиоксидном образовании износостойкостью режущих инструментов, группы применяемости Р, при резании ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. Степень корреляционной связи между объемным процентным содержанием двойного оксида в полиоксидных образованиях, полученных из твердых сплавов группы применяемости Р, и износостойкостью режущих инструментов, полученных из этой же группы твердых сплавов, составила r=0,92. Степень корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих инструментов в соответствии с прототипом составила r=0,84. 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 углеродистой стали 45, 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 поверхностной и объемной структуры, сформированной в процессе изготовления твердосплавного режущего материала, проведение эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ при оптимальной или близкой к ней скорости резания, построение эталонной - корреляционной зависимости «износостойкость - исходный параметр», 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, объемной концентрации оксидного соединения на основе кобальта и вольфрама - CoWO₄, входящего в состав сложного поверхностного полиоксидного образования, формирующегося на поверхности твердосплавных образцов при их нагревании, с уменьшением концентрации двойного оксидного соединения на основе кобальта и вольфрама износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р возрастает. Технический результат: прогнозирования износостойкости твердосплавных вольфрам - титан - кобальтовых режущих инструментов группы применяемости Р является повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

где а_Э и b_Э - постоянные коэффициенты:

,

из них:

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

- текущее значение выбранного исходного параметра, полученное при контроле твердосплавных режущих инструментов из текущей - прогнозируемой партии твердосплавной продукции;

и - износостойкость в минутах для двух независимых выборок сменных твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

и - среднее значения величин выбранного исходного параметра, полученные при контроле двух выборок образцов твердосплавных режущих инструментов, из эталонной партии продукции, отличающийся тем, что в качестве исходного параметра используют величину объемной концентрации оксидного соединения на основе кобальта и вольфрама - CoWO₄, входящего в состав сложного поверхностного полиоксидного образования, формирующегося на поверхности твердосплавных образцов при их нагревании, с уменьшением концентрации двойного оксидного соединения на основе кобальта и вольфрама износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р 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.