способ обработки твердого сплава

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ТВЕРДОГО СПЛАВА путем воздействия электромагнитным излучением, отличающийся тем, что длину волны электромагнитного излучения выбирают в пределах 1,234 10^-3 - 24,5 , а дозу - в пределах 1 10⁷ - 1,3 10⁹P.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к холодной и горячей механической обработке металлов, в частности к методам увеличения износостойкости режущего инструмента.

Известен способ [1] увеличения износостойкости твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама путем нанесения износостойкого покрытия, состоящего, например, из карбидов или нитридов титана. Способ позволяет увеличить износостойкость твердосплавного режущего инструмента в несколько раз.

Известен также способ увеличения износостойкости твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама путем имплантации ионов азота или гелия с энергией 150 кэВ [2]

Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама путем воздействия одним из видов электромагнитного излучения лазерным излучением.

Недостатками известных способов являются: малая толщина покрытия, составляющая примерно 10^о 10¹ мкм, и ухудшение адгезии между материалом твердого сплава и покрытием при увеличении толщины последнего; необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования импульсного ускорителя ионов; малое увеличение износостойкости (в 1,5 раза).

Целью изобретения является повышение износостойкости твердого сплава в несколько раз по сравнению с прототипом.

Цель достигается тем, что длину волны электромагнитного излучения выбирают в пределах от 1,234 10^-3 до 24,5 , а дозу в пределах от 110⁷ до 1,3 10⁹ рентген.

Положительный эффект настоящего изобретения проявляется в том, что износостойкое покрытие обладает идеальной адгезией, так как является частью матрицы твердосплавного материала, а его толщина определяется энергией -излучения и может составлять до 10^-1 10^о см; в том, что появляется возможность использования простого оборудования, например природных источников -излучения; в частности Сs¹³⁷, Со⁶⁰; в том, что износостойкость твердосплавного материала увеличивается до 5 раз по сравнению с прототипом благодаря использованию принципиально иного вида электромагнитного излучения.

Экспериментально установлено, что пластины, изготовленные из твердых сплавов марок Т15К6 и МС 111, увеличивают свои износостойкость и срок службы в 5-10 раз после воздействия -излучения с энергией 0,5 МэВ и дозами от 110⁷ до 2,010⁸ рентген.

П р и м е р 1. В Люберецком производственном объединении "Завод имени Ухтомского" проведены испытания на срок службы пластин, изготовленных из твердого сплава Т15К6. Пластины были подвергнуты воздействию -излучения от природного источника Cs¹³⁷ c энергией примерно 0,5 МэВ и дозами от 510⁷ до 1,510⁸ рентген. Обрабатываемый материал сталь 18ХГТ. Обработка проводилась в цехе N 18 на станке 1 Н 713, операция 020, деталь КРН 2,1.03.611А. Число оборотов шпинделя n180 об/мин, скорость резания V 102 м/мин, подачи s 0,1 мм/об, глубина резания t 0,22 мм. Результаты испытаний представлены в табл. 1. Как следует из табл.1, максимальный эффект (K_c N _дет /N_{o дет}7) от обработки -излучением достигается при черновой обработке наиболее тяжелых условиях работы инструмента. В то же время при легких условиях работы (для которых и предназначена марка Т15К6) эффект воздействия -излучения резко снижается. Кроме того результатом воздействия излучения являлось охрупчивание: срок службы инструмента ограничивался не износом, а разрушением пластины. Последний результат подтверждается и данными испытаний, проведенных в ПО "ЗИЛ". Там испытывались пластины Т15К6, облученные двумя дозами: 510⁷ и 2,510⁸ рентген. Облучение -квантами увеличивало износостойкость всего на 30-40% а при дозе 2,510⁷ рентген наблюдалось охрупчивание происходило разрушение пластины.

П р и м е р 2. В Люберецком производственном объединении "Завод имени Ухтомского" проведены испытания на срок службы пластин, изготовленных из твердого сплава МС 111. Пластины были подвергнуты воздействию -излучения от природного источника Cs¹³⁷ c энергией примерно 0,5 МэВ и дозами 110⁸ 2,510⁸ рентген. Обрабатываемая деталь КРНО 3604, материалы заготовок: сталь 45, сталь 45Г. Обработка проводилась в цехе N 20 на гидрокопировальном полуавтоматическом станке модели 473 4. Число оборотов шпинделя n 400 об/мин, скорость резания V 70 м/мин, подачи s 0,53 мм/об, глубина резания t2,5 мм. Результаты испытаний представлены в табл.2. Как следует из табл.2, срок службы режущего инструмента заметно возрастал (в 4-10 раз) при наименьших дозах -излучения.

П р и м е р 3. На Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) проведены испытания на износостойкость пластин, изготовленных из твердого сплава МС 111. Пластины были подвергнуты воздействию -излучения от природного источника Cs¹³⁷ с энергией примерно 0,5 МэВ и дозами 110⁷ и 110⁸ рентген. Обрабатываемый материал сталь 50. Обработка проводилась на станке 1М63. Число оборотов шпинделя варьировалось в широких пределах в зависимости от диаметра заготовки (n 380,5 981 об/мин), но скорость резания всюду была постоянной и равной V 215 м/мин, подача s 0,20 мм/об, глубина резания t1,0 мм. Результаты испытаний представлены в табл.3. Как следует из табл.3, износостойкость уменьшается примерно вдвое при уменьшении дозы облучения на порядок (К_с 2,5 и 1,37, если пользоваться методикой расчета, принятой в МКТС, К_с 4,45 и 2,10, если пользоваться общепризнанной методикой расчета).

Пользуясь данными, приведенными в примерах 2 и 3, можно определить нижнюю и верхнюю границы доз -излучения. Если считать, что приемлемой для промышленности является величина К_с 2,0, то из табл.2 и 3 следует, что нижней границей является D_н 110⁷ рентген (табл.3), а верхней D_в210⁸ рентген (табл. 2). Экспериментально установлено, что дальнейшее уменьшение дозы облучения снижает К_с. Так, при D110⁶ рентген коэффициент стойкости уменьшается примерно вдвое и его величина приблизительно равна единице.

Таким образом, в результате испытаний износостойкости и срока службы пластин из твердого сплава на основе карбида вольфрама найдены следующие пределы интервала доз -излучения с энергией Е примерно 0,5 МэВ: нижний предел 110⁷ рентген, верхний предел 210⁸ рентген.

Экспериментально установлено на примере режущих пластин и твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, что при облучении их протонами и -частицами высоких энергий и -квантами действует один и тот же механизм увеличения износостойкости ионизационный, обусловливающий разрыв напряженных связей в материале. Отсюда следует, что область применения предлагаемого способа охватывает не только твердые сплавы на основе карбида вольфрама, но и другие твердые сплавы, например нитрид бора, нитриды и карбиды титана, керамику и т. д. Поскольку указанные материалы обладают различным элементным составом и различными физическими, химическими и механическими свойствами, увеличение их износостойкости может быть достигнуто при воздействии иных, отличных от найденных на твердых сплавах на основе карбида вольфрама, значений длины волны (энергии кванта) и дозы излучения.

Испытания, проведенные в Московском комбинате твердых сплавов (МКТС), показали, что в случае карбида титана ТiC максимальное значение К_с 1,74, а в случае керамики Al₂O₃ + ТiC максимальное значение К_с 1,76.

Нижний предел длины волны (верхний предел энергии кванта) -излучения определен из сравнения энергетических порогов различных эффектов (фотоэффект, комптон-эффект), приводящих к ионизации (удалению электронов из атомов облучаемого вещества), и конкурирующего процесса рождения пар (электрон и позитрон), обусловленного взаимодействием -излучения с ядрами атомов вещества и не вносящего какого-либо вклада в удаление электронов с оболочек атома.

Верхняя граница комптон-эффекта превосходит верхнюю границу фотоэффекта и составляет примерно 360 МэВ. Однако нижний порог конкурирующего процесса рождения пар равен 1,02 МэВ, т.е. значительно более низкой энергии. Его вклад в поглощение становится равным вкладу в поглощение благодаря комптон-эффекту, начиная с энергий в несколько МэВ. Вследствие того, что выше этих энергий коэффициент поглощения либо начинает возрастать (для тяжелых элементов), либо практически перестает убывать (для легких элементов), целесообразно в качестве верхнего предела энергий принять величину Е_b, при которой вклад комптон-эффекта в рассеяние максимален, а кривая поглощения имеет минимум. Поскольку эта величина меньше для тяжелых, а больше для легких элементов, выбирают для Е_b максимальное значение, равное 10 МэВ. Отсюда нижнее значение длины волны _н =1,23410 При наличии соответствующего оборудования возможно использование и интервала 10-360 МэВ(= 3,4410^-5-1,23410) но в нем может потребоваться увеличение дозы облучения вследствие роста коэффициента поглощения у тяжелых элементов и уменьшения КПД комптон-эффекта.

Верхний предел длины волны (нижний предел энергии кванта) излучения определен из практического критерия: толщина образующегося износостойкого покрытия (т. е. толщина образующегося в результате облучения приповерхностного слоя с измененными свойствами большой износостойкостью) не должна быть менее 1 мкм, т. е. должна быть сравнима с минимальной толщиной специально создаваемых износостойких покрытий [1] Глубина проникновения излучения в твердый сплав должна быть не менее 1 мкм. За нижний предел энергии кванта (верхний предел длины волны) рентгеновского излучения принимают энергию, при которой глубина проникновения излучения в легких твердый сплав нитрид бора BN равна 1 мкм. Используя зависимость коэффициента поглощения излучения при фотоэффекте Z^{5 3,5}, где Z порядковый номер элемента; длина волны излучения, и принимая за Z нитрида бора Z углерода:

Z_BN= Z_c= 6, а в качестве плотности значение плотности BN _BN 2,84 г/см³, незначительно отличающееся от плотности углерода, получают для определения _BN простое уравнение

_{BN BN} A Z_c⁵ _BN^3,5 <sub>Al

Al</sub> Z_Al⁵ _Al^3,5 110⁴ см^-1 (1)

Определяя значение _Al=7,77 при котором _Al 10⁴ cм^-1 в полосе К поглощения, находят из (1), что в той же полосе поглощения K_BN=24,5 или Е_н 0,504 кэВ. Итак, за верхний предел длины волны _B принимают величину, равную 24,5 .

Нижний предел дозы облучения определен путем экстраполяции полученного из испытаний значения (110⁷ рентген при Е примерно 0,5 Мэв) на область низких энергий (рентгеновские лучи) и малых глубин проникновения (^-1 10^-4 cм 1 мкм). Из определения единицы экспозиционной дозы (дозы облучения) 1 рентген и метода размерностей легко получить уравнение

N_кв h 3 D ^{- 1} (2) cвязывающее между собой количество квантов излучения (фотонов) N_кв, падающих на 1 см² вещества и поглощенных в слое толщиной 3 ^-1, их энергию h дозу облучения D, плотность вещества и коэффициент поглощения .

Пользуясь (2), получают, что в условиях испытаний (D_н=D₁=110⁷рентген= 8/510⁸ (h )₁ 0,5 МэВ, ₁ 1 см^-1 ₁=15/6 г/см³N_o1кв=510¹⁶ Для тех же условий применение приближенной формулы, приведенной в [4]

1p

(3) дает примерно то же количество фотонов N 410¹⁶ .

Воспользовавшись законом Бугера (J J_оeхр(- х)), находят, что в слое x_o толщиной 1 мкм на поверхности материала поглощается в условиях испытаний

J_o J_o e o ^xo ₁ х_оJ_o 10^-4 J_o, (4) т.е. количество квантов, поглощенных в приповерхностном слое 1 мкм, и приходящееся на 1 см², равно: N_кв (1 мкм) 10^-4 N_01кв 510¹² квантов/см² Отсюда энергия, поглощенная 1 см² слоя толщиной 1 мкм, равна Е_погл 5 10¹² h 510¹² 1,6 10-¹² x x 510⁵ 410⁶ эрг. Полагая, что в слое нитрида бора толщиной 1 мкм при (h )₂0,5 кэВ поглощается то же количество энергии и пользуясь уравнением (2), находят

D₂ 2,2310⁸ рентген > D₁

Таким образом величина D_н D₁ 110⁷ рентген, найденная в условиях испытаний, остается нижним пределом доз облучения.

Верхний предел дозы облучения определен путем экстраполяции полученного из испытаний значения (210⁸ рентген при Е примерно 0,5 МэВ) на область более высоких энергий (жесткие гамма-лучи) и больших глубин проникновения (₂ ^{- 1} 10¹ см). Пользуясь формулой (4), определяют количество -квантов, поглощенных в слое толщиной х_о:

N N_o N_o e ^{- x}o x_o N_o (5)

Разложение (5) справедливо, если х_о<<1. Например, величина износа задней поверхности режущей пластины в опытах, представленных в табл.3, колебалась от 0,45 до 0,80 мм. Это означает, что при <1 cм^-1, а это имело место в наших опытах, условие (5) выполняется.

Используя уравнение (2), получают

N=x

Формула (6) определяет N через поглощенную на пробеге 3 ^-1 дозу -квантов. Таким образом с точностью до 5% (на пробеле 3 ^-1поглощается 95% падающего излучения) D в формуле (6) и полные дозы облучения равны друг другу. Энергия, выделяемая в слое х_о, равна

Е h N 3D х_о (7)

Положив, что во всех опытах х_о сonst, например, х_о 510^-2 см, и 1,0 (т. е. (5) выполняется), получают из условия равенства поглощенной энергии в слое х_о различных твердых сплавов

D_{1 1} D_{2 2} D_{3 3} D_{n n} (8)

Полагая, что D₁ D_2WC, _{1 WC} получают:

D=D_2WC (9) и т.п.

Величины при Е 10 МэВ для WC, ТiC, Al₂O₃ и BN найдены, пользуясь соотношениями, связывающими коэффициенты поглощения -излучения при комптон-эффекте и при рождении пар с порядковым номером элемента Z, атомным весом А и плотностью

В табл.4 приведены значения при E 10 МэВ, _B и D_2B для WC, ТiC, Al₂O₃ и BN.

Таким образом по мере роста среднего значения порядкового номера Z и плотности твердого сплава закономерно увеличиваются значения коэффициента поглощения -излучения и закономерно уменьшаются значения верхних пределов длины волны и дозы электромагнитного излучения, обеспечивающих положительный эффект.

Как видно из табл.4, за величину D_2в следует принять величину 1,310⁹ рентген.

Поскольку поглощенная энергия в слое х_о не меняется, следует ожидать, что коэффициент стойкости также не изменится и его значение составит 2,0 для случая BN (Е_maх 10 МэВ, D_2B 1,310⁹ рентген). Дальнейшее увеличение дозы облучения в этом случае должно привести к резкому падению К_с (сравните 3^ью и 4^ую строки табл.2).

Минимальная величина энергии (максимальная длина волны, равная 24,5 ) рентгеновского излучения получена теоретически для случая облучения нитрида бора BN. По причине, изложенной выше, следует ожидать того же значения K_c 2,0.