способ обработки режущих пластин

Формула изобретения

1. Способ обработки режущих пластин из твердых сплавов путем воздействия ионизирующей радиации, отличающийся тем, что воздействие ведут гамма-излучением, дозы которого, обеспечивающие максимальные значения времени работоспособности изделия, определяют по одной из следующих зависимостей:

D₁= 510^-10 E,



где D₁ и D₂ дозы облучения, соответствующие первому (квантовому) и второму (энергетическому) максимумам кривой времени работоспособности изделия, рентген;

Е энергия гамма-излучения, МэВ;

E₀ начальная энергия протонов, определяется экспериментально МэВ;

поток пучка протонов, определяемый экспериментально, см^-2;

х_i, Z_i, А_i концентрация i-го элемента в твердом сплаве, ат. его порядковый номер и атомный вес;

N число элементов в твердом сплаве.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для сплавов на основе монокарбида вольфрама дозу D₂ определяют из следующей зависимости:



3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для твердых сплавов, обладающих диэлектрическими свойствами, дозу D₂ определяют из следующей зависимости:

Описание изобретения к патенту

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

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

Известен также способ увеличения износостойкости твердосплавного режущего инструмента на основе монокарбида вольфрама путем имплантации ионов азота или гелия из импульсного источника [2]

Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки твердосплавного режущего инструмента на основе монокарбида вольфрама путем воздействия одним из видов ионизирующей радиации пучком протонов высоких энергий (энергия протонов E_o 6,3 МэВ, поток = 410¹⁴ см^-2) [3]

Недостатками известных способов являются: малая толщина покрытия, составляющая 10^o-10¹ мкм и ухудшение адгезии между материалом твердого сплава и покрытием при увеличении толщины последнего; необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования - импульсного ускорителя ионов; необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования ускорителя заряженных частиц, высоких энергий (циклотрона); остаточная радиоактивность обработанных изделий, большая длительность процесса облучения порядка нескольких часов.

Целью настоящего изобретения является предупреждение возникновения остаточной радиоактивности, повышение экономичности способа и установление аналитической зависимости между параметром режима обработки дозой облучения и максимумами времени работоспособности обработанной режущей пластины.

Поставленная цель достигается тем, что воздействие ведут гамма-излучением, дозы которого, обеспечивающие максимальные значения времени работоспособности обработанной пластины t_p определяют по одной из следующих зависимостей:



где D₁ и D>₂ дозы облучения, выраженные в рентгенах и соответствующие первому (квантовому) и второму (энергетическому) максимумам t_p, Е энергия гамма-излучения (в МэВ), E_o начальная энергия протонов (в МэВ) и поток пучка протонов (в см^-2), определяемые экспериментально, x_i, Z_i, A_i концентрация i-го элемента в твердом сплаве в атомных процентах, его порядковый номер и атомный вес, N - число элементов в твердом сплаве.

Целью предлагаемого изобретения является также упрощение расчетной формулы. Поставленная цель достигается тем, что дозу D₂ для твердых сплавов на основе монокарбида вольфрама определяют по приближенной формуле



Поставленная цель достигается также тем, что дозу D₂ для твердых сплавов, обладающих диэлектрическими свойствами, определяют по приближенной формуле



Положительный эффект настоящего изобретения проявляется в том, что "износостойкое покрытие" обладает идеальной адгезией, т.к. является частью матрицы изделия из твердосплавного материала, а его толщина определяется энергией -излучения и может составлять до 10^-1-10^o см; появляется возможность использования простого оборудования, например изотопов источников g-излучения; в частности ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs с энергиями g-квантов (0,5-1,2 МэВ), не вызывающими наведения остаточной радиоактивности в твердосплавном материале.

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

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

Первый максимум времени работоспособности t_p обусловлен одинаковым количеством протонов или g-квантов, падающих на 1 см² поверхности изделия из твердого сплава. Назовем его квантово-корпускулярным. Поскольку доза облучения (D) g-квантами, выраженная в рентгенах, связана простой алгебраической зависимостью с плотностью потока квантов (фотонов) (N) [4]

N (фотонов/см²) 210⁹/E (МэВ)D (рентген),

где Е энергия g-излучения в МэВ, то из равенства N и F - потока протонов следует, что

D(p)= 510^-10 E(МэВ)

Второй (энергетический) максимум времени работоспособности обусловлен равенством энергий, выделяющейся при облучении изделия из твердого сплава протонами или g-квантами. Вывод выражения, связывающего между собой дозу облучения D g-квантами и поток протонов, в этом случае достаточно громоздок. Поэтому ниже мы приведем лишь схему вывода.

1. Исходным является выражение для энергии (поглощенной дозы), выделяющейся в 1 г вещества при облучении его потоком протонов F.

где E_o начальная энергия протонов, плотность вещества, R полный пробег протонов в веществе.

2. Поскольку формула (3) относится к одному из простых веществ - элементов Периодической системы Менделеева, а твердосплавные материалы состоят из ряда элементов (W, C, Co, Ti, Ta, Nb), то формула (3) заменяется иной:



где N число элементов в твердом сплаве, x_i концентрация i-го элемента в твердом сплаве в атомных процентах, _i плотность i-го элемента твердого сплава, R_i пробег заряженной частицы в i-м элементе твердого сплава.

3. Пробег протонов в веществе определяют по формуле:



для BN и Al₂O₃ (7"")

Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом.

1. Предварительно экспериментально по известной методике [3] определяют значения энергии (E_o) и потока () пучка протонов, обеспечивающие максимальные значения времени работоспособности режущей пластины (t_p) или срока ее службы количества обработанных деталей (N_дет) до выхода пластины из строя (например, резкое ухудшение чистоты поверхности обрабатываемой детали).

2. По формулам (2), приближенной (7") и, в случае необходимости, строгой (6) определяют значения D₁ и D₂.

3. Облучают режущие пластины, изготовленные из требуемого твердого сплава, дозами g-квантов, равными D₁ и D₂.

4. Проводят лабораторные испытания на износостойкость и (или) производственные испытания на срок службы и определяют значения максимумов времени работоспособности (t_p) или количества изготовленных деталей (N_дет), отвечающие значениям D₁ и D₂.

5. Из соображений технической или экономической целесообразности выбирают либо значение D₁, либо значение D₂ для потребностей серийного или массового производства.

Пример. Необходимо увеличить износостойкость и срок службы режущих пластин из твердого сплава марки МС 111. Выбираем в качестве E_o значение, приведенное в прототипе [3] т.е. E_o 6,3 МэВ. С целью уточнения значения F для твердого сплава МС 111 проводим предварительные испытания на срок службы режущих пластин из этого сплава, облученных протонами. Пластины были облучены протонами на циклотроне НИИЯФ МГУ. Энергия протонов Е_o 6,3 МэВ, поток F варьировался в интервале от 110¹⁴ см^-2 до 410¹⁴ см^-2.

Испытания проведены на Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского"

Обрабатываемая деталь КРН03604, материал заготовок сталь 45Г2. Обработка проводилась в цехе N 21 на гидрокопировальном станке модели 473-4. Число оборотов шпинделя n 400 об/мин, скорость резания V 70 м/мин, подача S 0,53 мм/об. глубина резания t 2,5 мм. Максимальное значение N_дет/N_{дет.макс} наблюдается при = 310¹⁴ см^-2.

Расчет D₁ и D₂ по формулам (2), (7") и (6) при использовании значений Е_o 6,3 МэВ и = 310¹⁴ см^-2 дает D₁ 7,510⁴ рентген, D"₂ 6,610⁷ рентген, D"₂ 8,310⁷ рентген. Облучаем далее три режущих пластины из твердого сплава МС 111 дозами -квантов, равными D₁, D"₂ и D"₂.

Проводим затем испытания облученных пластин. В рассматриваемом случае лабораторные испытания на износостойкость проводили на Московском комбинате сплавов (МКТС) при следующих условиях: обрабатываемый материал сталь 50. Скорость резания составляла 220 м/мин, подача S 0,20 мм/об. глубина резания t 1,0 мм. Очевидно, во-первых, что при всех рассчитанных значениях D коэффициент стойкости больше трех. Во-вторых, ясно, что различие между значениями K_ст при дозах D₁, D"₂ и D"₂ не столь велико (3,2; 4,4 и 4,5), чтобы оправдать увеличение времени облучения (t_обл) почти на три порядка. Оценим величину t_обл для доз D₁ и D"₂. Например, при интенсивности гамма-излучения, равной 10² Р/c, доза D₁ может быть набрана за 10³ с 16,7 мин, а доза D"₂ за 8,310⁵ с, т. е. почти за 10 суток. В-третьих, максимум K_ст (4,5) соответствует значению D"₂, найденному по точной формуле (6), а значение K_ст, определенное по приближенной формуле (7"), т.е. 4,4, отличается от максимума всего лишь на 2,2% Поэтому для экспресс-оценки величины D₂ можно пользоваться приближенной формулой (7").

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

Источники, принятые во внимание при составлении описания:

1. Производство МКТС ТУ-48-19-310-80.

2. Влияние ионной имплантации на характер износа поверхности твердого сплава /Н.В. Плешивцев, А.А. Козьма, О.В. Соболь и др.// Поверхность. Физика, химия, механика. 1991, N 3, С.136-141.

3. Упрочнение твердосплавного режущего инструмента лазерным и радиационным излучением /В. Н. Подураев, А.В. Диваев, А.Э. Сенченко, Б.В. Шемаев//Станки и инструмент. 1990, N 9, С.18-20.

4. Широков Ю.М. Юдин Н.П. Ядерная физика. М. Наука, 1972, 672 с.

5. Мейер Дж. Эрикссон Л. Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников. М. Мир, 1973, 296 с.