способ контроля качества изделий из твердых сплавов после радиационно-термической обработки
Классы МПК: | G01N23/20 с помощью дифракции, например для исследования структуры кристаллов; с помощью отраженного излучения |
Автор(ы): | Коршунов Анатолий Борисович (RU), Крысов Георгий Александрович (RU), Иванов Александр Николаевич (RU), Свиридова Татьяна Александровна (RU), Баринов Виктор Георгиевич (RU), Буслов Павел Евгеньевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-03-27 публикация патента:
20.07.2007 |
Использование: для контроля качества изделий из твердых сплавов после радиационно-термической обработки. Сущность: заключается в том, что осуществляют воздействие на образец рентгеновского излучения для регистрации его дифракционного спектра, определение концентраций карбидных фаз - монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti,W)C - в твердом сплаве состава WC-TiC-Co, определение физических уширений ( ) двух порядков отражения от одной совокупности кристаллографических плоскостей, т.е. 1, и 2, и угловых положений центров тяжести ( ) выбранных линий, т.е. 1, и 2, контроль качества изделий после радиационно-термической обработки, определяющих коэффициент стойкости изделий из твердых сплавов после радиационно-термической обработки, из условий учета величины значений интегральной разупорядоченности карбидных фаз и разупорядоченности монокарбида WC относительно заданных значений. Технический результат: оценка качества и однозначное прогнозирование срока службы изделий, подвергнутых радиационно-термической обработке, и упрощение способа. 3 табл.
Формула изобретения
Способ контроля качества изделий из твердых сплавов после радиационно-термической обработки, включающий воздействие на образец рентгеновского излучения для регистрации его дифракционного спектра, определение концентраций карбидных фаз - монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti,W)C - в твердом сплаве состава WC-TiC-Co, определение физических уширений ( ) двух порядков отражения от одной совокупности кристаллографических плоскостей, т.е. 1, и 2, и угловых положений центров тяжести ( ) выбранных линий, т.е. 1, и 2, и контроль качества изделий после радиационно-термической обработки из условий:
если (b/a) WC<1,0;
(b/a) <1,3,
то KCT>4,5,
где (b/a) =(b/a)(Ti,W)C·C (Ti,W)C+(b/a)WC·C WC - интегральная разупорядоченность карбидных фаз,
(b/a)(Ti,W)C - разупорядоченность сложного карбида (Ti,W)C;
(b/a)WC - разупорядоченность монокарбида WC;
C(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti,W)C, мас.%;
СWC - концентрация монокарбида вольфрама WC, мас.%;
b= 2/ 1, a=tg 2/tg 1;
- коэффициент стойкости;
- среднее время работоспособности базовых изделий, мин;
tрРТО - время работоспособности изделия, подвергнутого радиационно-термической обработке, мин.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для контроля качества радиационно-термической обработки твердосплавного инструмента, предназначенного для холодной и горячей механической обработки различных материалов, преимущественно металлов и их сплавов.
Известен способ контроля методом рентгеновской дифрактометрии изделий, изготовленных из твердых сплавов, состоящих из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки и подвергнутых высокотемпературной обработке, путем измерения фазового состава приповерхностного слоя, обогащенного сложным карбидом (Ti,W)C [1]. Известный способ обладает существенным недостатком: знание только одного параметра - концентрации сложного карбида (Ti,W)C не дает однозначного ответа на вопрос о качестве высокотемпературной обработки.
Известен способ контроля изделий, изготовленных из твердых сплавов и подвергнутых высокотемпературной обработке, путем измерения размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) (размер блоков D) методом рентгеновской дифрактометрии [2]. Известный способ обладает существенным недостатком: после высокотемпературной обработки значения D обычно столь велики, что они не могут быть определены методом рентгеновской дифрактометрии.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ одновременного определения двух параметров тонкой кристаллической структуры поликристалличекого материала - размеров (D) областей когерентного рассеяния (блоков мозаики) и величины микродеформаций ( ) - методом аппроксимации [3], позволяющий определять размеры блоков, меньшие 0,2 мкм, и микродеформации, большие 2·10 -4, и включающий подготовку образцов без пластической деформации, воздействие на образец рентгеновского излучения для регистрации его дифракционного спектра, определение физических уширений ( ) двух порядков отражения от одной совокупности кристаллографических плоскостей, т.е. 1, и 2, и угловых положений центров тяжести ( ) выбранных линий, т.е. 1, и 2, выбор конкретного вида функций (М(x) и N(x)), аппроксимирующих, соответственно, профиль линии, обусловленной дисперсностью блоков с размерами D 0,2 мкм и с интегральной шириной м=(0,94 /D)·sec , и профиль линии, обусловленный микродеформациями ( ) кристаллической решетки с величиной 2·10-4 и интегральной шириной N=4 tg , и построение номограммы, позволяющей по величине отношения 2/ 1, найти M и N и, тем самым, D и .
Недостатками прототипа являются его сложность и невозможность контроля качества изделий после радиацинно-термической обработки.
Заявляемое изобретение направлено на контроль качества изделий после радиацинно-термической обработки.
Указанный результат достигается тем, что осуществляется воздействие на образец рентгеновского излучения для регистрации его дифракционного спектра, определение концентраций карбидных фаз - монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti,W)C - в твердом сплаве состава WC-TiC-Co, определение физических уширений ( ) двух порядков отражения от одной совокупности кристаллических плоскостей, т.е. 1 и 2, и угловых положений центров тяжести ( ) выбранных линий, т.е. 1 и 2, определение качества радиационно-термической обработки изделий из условий
если (b/a) WC<1,0;
(b/a) <1,3,
то KCT>4,5,
где
(b/a) =(b/a)(Ti,W)C·C (Ti,W)C+(b/a)WC·С WC - интегральная разупорядоченность карбидных фаз,
(b/a)(Ti,W)C - разупорядоченность сложного карбида (Ti,W)C,
(b/a)WC - разупорядоченность монокарбида WC,
C(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti,W)C в массовых процентах,
С WC - концентрация монокарбида вольфрама WC в массовых процентах,
b= 2/ 1, a=tg 2/tg 1,
- коэффициент стойкости,
- среднее время работоспособности базовых изделий в минутах,
tрРТО - время работоспособности изделия, подвергнутого радиационно-термической обработке, в минутах.
Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.
Во время стационарного спекания в присутствии жидкой фазы изделий из твердых сплавов, содержащих помимо монокарбида вольфрама WC еще и карбид титана TiC, вольфрам в значительной степени растворяется в карбиде титана, образуя после охлаждения твердый раствор - сложный карбид (Ti,W)C [4]. В процессе высокотемпературной обработки, при которой температура изделий поднимается выше температуры стационарного спекания [5], концентрация вольфрама в карбиде титана еще более возрастает, т.е. возрастает концентрация сложного карбида (Ti,W)C [1]. Твердый раствор (Ti,W)C обладает высокой степенью химической неоднородности, что обусловливает высокие значения микродеформаций его кристаллической решетки. Поэтому анализ состояния твердого раствора (Ti,W)C при помощи обычного метода рентгеновской дифрактометрии [3] малоэффективен.
Ниже на практическом примере радиационно-термической и высокотемпературной обработок пластин из твердого сплава Т15К6 показаны трудности, возникающие при применении метода [3], и способ решения проблем, являющийся содержанием заявляемого изобретения. Под термином "радиационно-термическая обработка (РТО)" мы понимаем воздействие на твердосплавное изделие вначале ионизирующего излучения, а затем, после облучения, воздействие на то же изделие еще и высокотемпературной обработки.
Пример
Пластины KNUX 190810, изготовленные из твердого сплава Т15К6 (состав в массовых процентах: WC - 79, TiC - 15, Со - 6) производства КЗТС, были подвергнуты высокотемпературной обработке (ВТО). Она осуществлялась при фиксированной температуре, превышающей температуру стационарного спекания изделий из твердого сплава Т15К6 в присутствии жидкой фазы ((Tсп=1500°С). Две из этих пластин предварительно были подвергнуты радиационной обработке.
После радиационно-термической и высокотемпературной обработок пластины исследовались методом рентгеновской дифрактометрии. Рентгеновские измерения проводились в МИСиС на автоматизированном дифрактометре типа ДРОН. Фазовый состав определялся с помощью пакетов прикладных программ OUTSET и PHAN %, а параметры тонкой кристаллической структуры - с помощью пакета прикладных программ PROFILE [6]. Исследовались линии фазы WC 10.1 ( 1=24,39 угл. град.) и 11.2 ( 2=49,42 угл. град.) и линии фазы (Ti,W)C 200 ( 1=21,01 угл. град.) и 400 ( 2=45,60 угл. град.).
В табл.1 приведены данные об изменении в различных образцах концентраций карбидных фаз, величины микродеформаций в них, а также величины (b/а)WC - разупорядоченности монокарбида вольфрама, (b/а) (Ti,W)C - разупорядоченности сложного карбида (Ti,W)C и (b/a) =(b/a)(Ti,W)C·С (Ti,W)C+(b/а)WC·C WC - интегральной разупорядоченности карбидных фаз. Здесь C(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti,W)C в массовых процентах, CWC - концентрация монокарбида вольфрама WC в массовых процентах, b= 2/ 1, а=tg 2/tg1, 1 и 2 - значения физических уширений от двух дифракционных линий, снятых при малых ( 1) и больших ( 2) значениях углов падения рентгеновских лучей на исследуемый образец. Хотя образцы в табл.1 расположены по мере увеличения времени их нагрева, какие-либо закономерности в таблице просматриваются с трудом. Лишь в самом конце табл.1 заметно некоторое увеличение концентрации твердого раствора (Ti,W)C и уменьшение микродеформаций . Заметим, что для всех случаев высокотемпературной обработки (b/а)WC>1,0, тогда как после радиационно-термической обработки (пластины №№7 и 16) (b/a)WC<1,0. Кроме того, значения (b/а) для пластин, подвергнутых радиационно-термической обработке, минимальны и не превосходят 1,3.
Часть пластин, данные о которых приведены в табл.1, была подвергнута производственным испытаниям. Производственные испытания с целью определения срока службы резцов осуществлялись на СП "Пигма-Kennametal". Испытания опытной партии неперетачиваемых режущих пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС проведены на токарно-винторезном станке с ЧПУ модели 16К20Ф3. Обрабатывались различные детали для горного инструмента, изготовленные из стали 30ХГСА. Режимы резания: скорость резания V=90 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=3 мм.
В табл.2 представлены результаты производственных испытаний, а в табл.3 сопоставлены результаты рентгеновских измерений и производственных испытаний. Из табл.3 очевидно, что в условиях опыта данные о параметрах тонкой кристаллической структуры (D и ) ничего не могут сказать о причинах значительного разброса значений коэффициентов стойкости, полученных при проведении производственных испытаний. Действительно, значения D на всех пластинах не могли быть измерены методом рентгеновской дифрактометрии, а значения изменялись незначительно и никак не характеризовали причин изменения коэффициента стойкости KCT. Из табл.1 и 3 ясно, что параметрами, характеризующими величину K CT после радиацинно-термической обработки являются: (b/a) WC - разупорядоченность монокарбида вольфрама WC, (b/а) (Ti,W)C - разупорядоченность твердого раствора (Ti,W)C - фазы, концентрация которой в исследуемом приповерхностном слое составляет от 85 до 90 массовых процентов, а также (b/а) - интегральная разупорядоченность, в которой учтен вклад в общую разупорядоченность другой карбидной фазы - монокарбида вольфрама WC.
Выбор между аргументами - разупорядоченностью монокарбида вольфрама WC, разупорядоченностью твердого раствора (Ti,W)C - (b/а)(Ti,W)C и интегральной разупорядоченностью (b/а) - и функциями - коэффициентом стойкости первого лезвия - KCT1 и средним значением коэффициента стойкости весьма затруднен, как это следует из табл.1 и 3.
Мы выбрали в качестве аргументов, характеризующих наличие или отсутствие радиационно-термической обработки и качество изделий после нее, величины (b/a)WC - разупорядоченность монокарбида вольфрама WC и (b/a) - интегральную разупорядоченность, а в качестве функции - - как величину, характеризующую работоспособность пластины в целом. Тогда критериями наличия радиационно-термической обработки и работоспособности пластины после нее являются условия:
если (b/а)WC<1,0;
(b/a) <1,3
то KCT>4,5.
Необходимо особо подчеркнуть, что неравенства, определяющие KCT, справедливы для средних значений (b/a) WC, (b/a) . Хотя, как это видно из табл.1, все величины, входящие в (b/a) , имеют большой разброс значений, определяющими являются средние значения (математические ожидания) как (b/a) , так и величин (b/a)WC, СWC и С(Ti,W)C .
Источники информации
1. Устройство для обработки твердых материалов. Пат. РФ на изобретение №2178012 от 10.01.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др.
2. Устройство для обработки материалов. Пат. РФ на изобретение №2181645 от 27.04.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др.
3. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографичесий и электронно-оптический анализ. Учебное пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: МИСиС, 2002. - 360 с. (Прототип).
4. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976, 528 с., с.142-180.
5. Способ упрочнения изделий из карбидосодержащих сплавов. Пат. РФ на изобретение №2181643 от 27.04.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др.
6. Шелехов Е.В., Свиридова Т.А. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов. Металловедение и термическая обработка металлов. - 2000. - №8. - С.16-19.
Таблица 1 Результаты рентгеновских измерений пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС после радиационной и высокотемпературной обработок | ||||||
№ пл-ны | Обработка | (b/a)(Ti,W)C | C(Ti,W)C, мас.% | (b/a) WC | CWC, мас.% | (b/a) =(b/a)(Ti,W)C·C (Ti,W)C+(b/a)WC·C WC |
1 | РТО | 1,229 | 82,8 | 0,995 | 12,4 | 1,141 |
2 | РТО | 1,366 | 86,3 | 0,987 | 10,2 | 1,280 |
3 | ВТО | 1,550 | 86,5 | 1,055 | 10,6 | 1,457 |
4 | ВТО | 1,936 | 85,2 | 1,262 | 11,0 | 1,788 |
5 | ВТО | 1,992 | 84,2 | 1,152 | 12,4 | 1,820 |
6 | ВТО | 2,107 | 85,7 | 1,242 | 11,3 | 1,946 |
7 | ВТО | 2,128 | 88,6 | 1,365 | 8,6 | 2,003 |
8 | ВТО | 2,208 | 86,5 | 1,109 | 10,6 | 2,027 |
9 | ВТО | 1,998 | 85,7 | 1,124 | 10,3 | 1,828 |
10 | ВТО | 1,992 | 85,0 | 1,159 | 11,7 | 1,829 |
11 | ВТО | 1,917 | 86,3 | 1,117 | 10,4 | 1,771 |
12 | ВТО | 2,399 | 86,0 | 1,247 | 10,3 | 2,192 |
13 | ВТО | 2,169 | 86,8 | 1,188 | 9,6 | 1,997 |
14 | ВТО | 2,091 | 89,2 | 1,277 | 8,5 | 1,974 |
Класс G01N23/20 с помощью дифракции, например для исследования структуры кристаллов; с помощью отраженного излучения