Способ ионно-лучевой обработки режущего инструмента из твердых сплавов

 

Изобретение относится к ионно-лучевым технологиям получения материалов со специальными свойствами, в частности к способам повышения износостойкости рабочих поверхностей инструментов, изготовленных из твердых сплавов. Целью изобретения является повышение износостойкости рабочих поверхностей режущего инструмента за счет создания в поверхностных слоях объемной конструкции твердых растворов замещения. Способ позволяет повысить стойкость твердосплавого режущего инструмента до 5 раз по сравнению с исходным твердосплавным инструментом за счет того, что обработку поверхности производят путем ионной имплантации циркония и молибдена с энергией в диапазоне 25 - 45 кэВ и дозой 5·10¹⁶-10¹⁸ ион/см². Причем вначале проводят облучение ионами циркония, затем ионами молибдена и снова ионами циркония. Кроме того, азотирование поверхности производится в диапазоне энергий 5 - 10 кэВ при давлении 2 - 7·10^-2 Па в течение 5 - 7 мин. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к электронно-лучевым технологиям получения материалов со специальными свойствами, а именно к способам повышения износостойкости рабочих поверхностей инструментов, изготовленных из твердых сплавов. Целью изобретения является повышение износостойкости рабочих поверхностей режущего инструмента за счет создания в поверхностных слоях объемной концентрации твердых растворов замещения. Эта цель достигается тем, что после азотирования и очистки поверхности, согласно изобретению, производят последовательную имплантацию ионами циркония, молибдена с энергией ионов в диапазоне 25 45 кэВ и дозой 5·10¹⁶-10¹⁸ ион/см², причем в начале проводят облучение ионами циркония, затем ионами молибдена и снова циркония. Кроме того, азотирование поверхности производится энергией 5 10 кэВ при давлении 7·10^-4-2·10^-4 мм рт.ст. в течение 5 7 мин. Использование для имплантации ионов Zr⁺, Mo⁺, Zr⁺ обусловлено возможностью создания твердых растворов замещения и значительной карбидо- и нитридообразующей способностью этих металлов. Поэтому помимо образования твердых растворов возможно образование соответствующих соединений. Внедренные в матрицу ионы циркония являются своеобразными центрами образования твердых растворов, при этом происходит сильное разупорядочение структуры поверхностно слоя. Последующая имплантация ионами Mo⁺ стабилизирует разупорядоченное состояние, а также позволяет сместить атомы Zr из узлов решетки. В следующей операции облучения ионами Zr⁺ происходит "вколачивание" атомов Mo в более глубокие слои за счет эффективности атомов отдачи. Это обеспечивает перемешивание и обмен внедренными атомами Zr и Mo, в результате чего их концентрации выравниваются. На фиг. 1 показаны концентрированные профили внедренных элементов (совпадение концентрационных кривых подтверждает наличие в поверхностном слое твердого раствора замещения); на фиг. 2 и 3 зависимости стойкости инструмента от скорости резания. При обработке режущего инструмента предлагаемым способом переходного слоя не образуется. В этом одно из основных преимуществ и существенных отличий метода ионной имплантации циркония-молибдена-циркония по сравнению с прототипом. Упрочнение ионами Zr⁺-Mo⁺-Zr⁺ твердосплавных режущих инструментов позволяет существенно повысить их стойкость при резании титановых сплавов БТЗ-1 и БТ22 (см. фиг. 2 и 3). Причем наибольший эффект наблюдается в области высоких скоростей резания. Это свидетельствует о снижении адгезионно-диффузионных процессов между инструментом и обрабатываемым материалом. Исследования процесса резания показали, что в результате обработки инструмента ионными пучками состава Zr⁺-Mo⁺-Zr⁺ происходит уменьшение зоны вторичных деформаций, что является следствием снижения степени адгезионного взаимодействия между стружкой и передней поверхностью режущего инструмента. Излучение зоны вторичных деформаций (прирезцового слоя стружки) проводили на продольных шлифах стружки, откуда видно, что у стружки, полученной имплантированным инструментом, отсутствует ярко выраженный прирезцовый слой, связывающий элементы стружки между собой. Измерение составляющих силы резания показало, что их уровень при резании имплантированным инструментом по сравнению с исходным снижается. При этом наибольшее снижение было зафиксировано для составляющей R_xy, отражающих характер трения. Сравнительная оценка удельной силы трения gF, проведенная при резании титанового сплавав ВТЗ-1, позволила установить, что значения gF_имп имплантации меньше во всем исследуемом диапазоне скоростей резания (подача S 0,14 мм/об, глубина резания t 1,5 мм). Снижение адгезионно-диффузионных процессов после упрочнения ионами Zr⁺_→Mo⁺__Zr⁺ подтверждается результатами исследования изношенных поверхностей режущего инструмента. Изношенная площадка контакта имплантированного инструмента характеризуется меньшим количеством адгезионных вырывов. Исследование режимов имплантации и испытаний обработанных твердосплавных пластин позволило выбрать оптимальные режимы облучения по дозе и энергии ионов (см. табл. 1). Указанный нижний порог дозы 5·10¹⁶ ион/см² при энергии свыше 30 кэВ обеспечивает некоторое повышение износостойкости. Однако уже при этой дозе при низких энергиях (25 кэВ) эффекта не наблюдается, поэтому снижение дозы нецелесообразно. С физической точки зрения это объясняется неэффективностью образования твердых растворов замещения при низких дозах и энергиях (ниже 25 кэВ). Верхний предел по дозе ограничен явлениями "распухания" и охрупчивания металла, которые наблюдаются при увеличении дозы, что проявляется в снижении механических характеристик. Увеличение энергии до свыше 45 кэВ также нецелесообразно, поскольку появляется вероятность дополнительной ионизации полем ионов металла и в пучке появляются многократно ионизованные ионы Zr⁺⁺, Zr⁺⁺⁺, что приводит к возрастанию фактической энергии ионов в 2 3 раза. В этом случае уже сказывается взаимодействие на электронном уровне. Эти процессы отрицательно проявляются на механических характеристиках; наблюдаются увеличение удельной силы трения при резании сплавав ВТЗ-1 и снижение износостойкости пластин по сравнению с износостойкостью пластин, обработанных в оптимальных режимах до 45 кэВ. Предварительные очистка и азотирование изделий осуществляются в вакууме на несколько порядков выше, чем в прототипе, а именно P 7·10^-2-2·10^-2 Па при напуске азота и напряжения смещения 5 10 кэВ. Эти пределы выбраны опытным путем. В табл. 2 приведены данные экспериментов. Пример. Твердосплавные четырехгранные пластины помещают в вакуумный объем, откачиваемый вакуумными насосами: форвакуумным и диффузионным паромасляным. Платформа, на которой крепятся резцы, вращается вокруг своей оси и относительно катодов. Катодный узел включает два катода из циркония и молибдена, которые могут поочередно включаться в работу при подаче соответствующего напряжения смещения и напряжения на поджигающий электрод для поджигания и горения дуги. Вакуумный объем откачивается до давления 10^-5 мм рт. ст. и напускается газообразный азот до давления 2·10^-4 мм рт.ст. Затем на катоде поджигается дуга и подается напряжение смещения 5 10 кэВ с целью очистки поверхности и активации. Эта операция осуществляется в течение 5 7 мин. После этого подается ускоряющее напряжение 25 45 кВ. Обработка длится в зависимости от выбранной дозы 5 25 мин. В конкретном примере исполнения суммарная доза 5·10¹⁷ ион/см² набирается за 18 мин. Вначале поджиг подается на циркониевый катод и в течение 6 мин ведется облучение ионами циркония. Затем поджигающее напряжение переключается на катод молибдена и облучение проводится ионами молибдена в течение 6 мин и снова повторяется операция облучения ионами циркония. Износостойкость оценивали по стойкостным сравнительным испытаниям сборного твердосплавого инструмента (четырехгранные твердосплавные пластины) при точении титановых сплавов ВТЗ-1 и ВТ22. Стойкостные характеристики исходных принимали за 1 (среднее значение из шести исследуемых пластин). Износ оценивали по ширине фаски с задней поверхности резца до 0,4 мм. В табл. 1 приведены результаты испытаний на износостойкость режущих пластин ВК-8 и Т15К6 при резании титановых сплавов ВТ22 и ВТЗ-1 для скорости резания 40 м/мин. Зависимости износостойкости для исходных и имплантированных пластин приведены на фиг. 2 и 3. Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить износостойкость при больших скоростях резания титановых сплавов, он проще в техническом исполнении (весь процесс реализуется в одной камере в постоянных вакуумных условиях) и осуществлении контроля параметров. Кроме того, сокращается время технологических операций и исключается нагрев, а также сокращается расход материала катодов в несколько десятков раз. Имплантация ионов Zr-Mo-Zr проводилась при энергии 35 кэВ. Азотирование осуществлялось при напуске азота в указанных пределах 7·10^-2-2·10^-2 Па.

Формула изобретения

1. Способ ионно-лучевой обработки режущего инструмента из твердых сплавов, включающий азотирование поверхности инструмента и обработку поверхности переходными металлами, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости рабочих поверхностей режущего инструмента за счет создания в поверхностных слоях объемной концентрации твердых растворов замещения, обработку поверхности проводят последовательно путем ионной имплантации циркония и молибдена с энергией ионов в диапазоне 25 45 кэВ и дозой 5 · 10¹⁶ 1 · 10¹⁸ ион/см², причем сначала проводят облучение ионами циркония, затем ионами молибдена и ионами циркония, при этом азотирование поверхности осуществляют в диапазоне энергии 5 10 кэВ. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что азотирование поверхности проводят при давлении (2 7) · 10^-2 Па в течение 5 7 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5