Способ обработки твердосплавного материала

 

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к холодной и горячей механической обработке металлов, в частности к методам увеличения износостойкости режущего инструмента. Цель - увеличение износостойкости твердосплавного материала, упрощение способа и повышение его экономичности. Облучение твердосплавного материала ведут α -частицами с энергией в пределах от 2 до 10 МэВ и дозами в пределах от 1 · 10¹² до 1,8 · 10¹⁴ см^-2. Поставленная цель достигается также тем, что облучение a -частицами ведут от природного источника с энергиями в пределах от 2 до 9 МэВ. 1 з. п. ф-лы, 3 табл.

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 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 путем лазерной закалки [2] Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки твердосплавного режущего инструмента ионами азота или гелия с энергией 150 кэВ дозами (2,5-17) ˙ 10¹⁶ см^-2. Использование ионов азота в способе-прототипе, повышает износостойкость пластин твердого сплава марки Т 15 К6 на величину от 30 до 370% но в этом способе не указывается, каково увеличение износостойкости в случае применения ионов гелия. Однако очевидно, что в отличие от азота, образующего с титаном сплава Т 15 К6 износостойкое покрытие нитрид титана, инертный газ гелий не вступает в химические соединения с компонентами твердого сплава. Поэтому увеличение износостойкости выше в случае применения азота, а не гелия.

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; малое увеличение износостойкости (в 1,5 раза); необходимость использования уникального дорогостоящего оборудования импульсного ускорителя ионов и относительно малое увеличение износостойкости, особенно при использовании ионов гелия.

Целью изобретения является повышение износостойкости твердосплавного материала в два и более раз по сравнению с прототипом, упрощение способа и повышение его экономичности.

Цель достигается тем, что облучение ведут α -частицами с энергией в пределах от 2 до 10 МэВ и дозами в пределах от 1˙ 10¹² до 1,8 ˙ 10¹⁴ см^-2, облучение α -частицами ведут от природного источника с энергиями в пределах от 2 до 9 МэВ.

Положительный эффект предлагаемого изобретения проявляется в том, что износостойкое покрытие обладает идеальной адгезией, так как является частью матрицы твердосплавного материала, а его толщина определяется энергией α -частиц и может составлять до примерно 20 мкм; в том, что износостойкость твердосплавного материала увеличивается в несколько раз по сравнению с прототипом и аналогом благодаря принципиально иному механизму ее увеличения; в том, что появляется возможность использования простого оборудования, например природных источников α -излучения.

Экспериментально установлено, что пластины, изготовленные из твердых сплавов марок Т 15 К6 и МС 111, увеличивают свои износостойкость и срок службы в 2-7 раз после бомбардировки α -частицами с дозами от 1 ˙ 10¹² до 1,1 ˙ 10¹⁴ cм^-2.

П р и м е р 1. В люберецком производственном объединении "Завод имени Ухтомского" проведены испытания на срок службы пластин, изготовленных из твердого сплава Т 15 К6. Пластины были подвергнуты бомбардировке α -частицами от природного источника радиоактивных изотопов плутония (Pu) c энергией примерно 5 МэВ и дозами от 1,4 ˙ 10¹³ до 5,6 ˙ 10¹³ см^-2. Обрабатываемый материал сталь 18 КГТ. Обработка проводилась в цехе N 18 на станке 1 Н 713 операция 020, деталь КРН 2; 1.03.611А. Число оборотов шпинделя n 180 об/мин, скорость резания V 102 м/мин, подача s 0,1 мм/об, глубина резания t0,22 мм. Результаты испытаний представлены в табл.1. Как следует из табл.1. макси- мальный эффект K_c 7 от бомбардировки α -частицами достигается при чистовой и токарной обработках легких условиях работы инструмента, для которых и предназначена марка Т 15 К 6. В то же время при тяжелых условиях работы инструмента (черновая обработка) эффект от бомбардировки α -частицами несколько снижается (К_с 5). Какого-либо охрупчивания инструмента в результате воздействия α -излучения не наблюдалось в процессе испытаний.

П р и м е р 2. В Люберецком производственном объединении "Завод имени Ухтомского" проведены испытания на срок службы пластин, изготовленных из твердого сплава марки МС 111. Пластины были подвергнуты бомбардировке α -частицами от природного источника-плутония Pu с энергией примерно 5 МэВ и дозами от 1,4 ˙ 10¹³ до 1,1˙ 10¹⁴ см^-2. Обрабатываемая деталь К РНО3604, материал заготовок сталь 45 Г. 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, подача s 0,53 мм/об, глубина резания t 2,5 мм. Результаты испытаний представлены в табл.2. Как следует из табл.2, срок службы режущего инструмента возрастал в среднем примерно в 2 раза при наименьшей и наибольшей дозах α -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 бомбардировке α -частицами от природного источника Pu с энергией примерно 5 МэВ и дозами от 1,1 ˙ 10¹² до 1,4 ˙ 10¹³ см^-2. Обрабатываемый материал сталь 50. Обработка проводилась на станке IМ63. 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 215 м/мин, подача s 0,20 мм/об, глубина резания t 1,0 мм. Результаты испытаний представлены в табл.3. Как следует из табл.3, износостойкость увеличивается в 2-2,5 раза с ростом дозы на порядок (K_c 1,27 и 2,52, если пользоваться при расчете методикой МКТС, К_с 2,0 и 5,0, если пользоваться общепринятой методикой расчета). Величина К_с при минимальном значении дозы облучения (D ≈ 1˙10¹² cм^-2) равна примерно 2,0. Экспериментально установлено, что дальнейшее уменьшение дозы облучения резко снижает К_с. Так, при D ≈1˙10¹¹ см^-2 К_с 0,20, а при D≈ ≈ 1˙10¹⁰ cм^-2 К_с 0,28.

Таким образом, в результате испытаний износостойкости и срока службы пластин из твердого сплава на основе карбида вольфрама найдены следующие пределы интервала доз α -излучения с энергией Е ≈ 5 МэВ: нижний предел 1˙10¹² см^-2, верхний предел 1,1˙10¹⁴ см^-2.

Величина К_с 2,5 найдена экспериментально для дозы D 2˙10¹⁴ cм^-2 и энергии α -частиц, равной 25 МэВ.

Интервалы энергий и доз α -частиц по- лучены исходя из следующих соображений.

Экспериментально и теоретически установлено на примере режущих пластин из твердосплавного материала на основе карбида вольфрам а, что при облучении их протонами и α -частицами высоких энергий и γ-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 нами на твердых сплавах на основе карбида вольфрама значений энергии и дозы α -частиц. При этом с полным основанием можно утверждать, что если положительный эффект (увеличение износостойкости) получен, например, при облучении твердого сплава γ -квантами, то положительный эффект будет наблюдаться при облучении α -частицами высоких энергий.

Проведены испытания режущих пластин из карбида титана (ТiC) и керамики (Al₂O₃ + ТiC), облученных α -квантами. Максимальные значения Кс составили 1,74 (ТiC) и 1,76 (Al₂O₃ + ТiC). Таким образом, следует ожидать примерно таких же значений К_{с макс} при облучении ТiC и Al₂O₃ + ТiC α -частицами высоких энергий. Действительно, при энергии α -частиц ≈ 2,0 МэВ и неоптимальной дозе 3 ˙ 10¹² см^-2 на керамике (Al₂O₃ + ТiC) получено значение К_с 1,3.

Нижний предел энергии α -частиц определен на основании вышеприведенных экспериментов и составляет 2,0 МэВ. Дальнейшее уменьшение энергии резко снижает величину К_с.

Нижний предел энергии α -частиц определяется энергиями α -частиц (2-4,5 МэВ) для ядер в области редких земель и равен 2 МэВ. Верхний предел энергии α -частиц определяется энергиями α -частиц (4-9 МэВ) для тяжелых ядер и равен 9 МэВ.

Верхний предел энергии α -частиц определен на основании практического критерия: отсутствия наведенной радиоактивности после обработки. Порог наведенной радиоактивности при облучении различных веществ α -частицами равен 10 МэВ. Поэтому верхний предел энергии α -частиц принят равным 10 МэВ. Положительный эффект достигается и при значительно большем значении энергии α -частиц (Е 25 МэВ). Однако при этом из-за наведенной радиоактивности необходимо "выдерживание" в течение нескольких месяцев и лишь после истечения указанного времени возможно производственное использование облученных пластин.

Нижний предел дозы облучения определен экспериментально и равен 1˙10¹² см^-2.

Верхний предел дозы облучения определен путем экстраполяции полученного из испытаний значения (1,1˙10¹⁴ см^-2 при Е≈ ≈ 5 МэВ) на область высоких энергий и больших глубин проникновения. Воспользовавшись приведенной формулой Бора, получают ln (1) где суммарное изменение энергии на единице пути частицы; Z порядковый номер элемента, образующего частицу (Z2 в случае α -частиц); е заряд электрона; m масса покоя электрона; М масса частицы; Е энергия частицы; ω средняя частота обращения электронов вещества по их атомным орбитам n (2) где n число атомов в единице объема вещества; Z порядковый номер элемента; N число Авогадро; А атомный вес, находят выражение, определяющее величину полного пробега частицы в веществе, проинтегрировав выражение R (3) где Е_о энергия частицы до попадания в вещество. Подставляя выражение из [1] в [3] и производя интегрирование, по- лучают выражение для величины полного пробега R
(4)
Учитывая, что в алюминии пробег протона с энергией 5 МэВ равен 60 мкм находят пробеги α -частиц с энергиями 5 и 10 МэВ в монокарбиде вольфрама WC и нитриде бора BN. Расчет по формуле [4] для Е 5 МэВ дает: R_WC 0,76 мкм, R_BN 4,18 мкм, а для Е 10 МэВ R_WC 3,0 мкм, R_BN 16,72 мкм. Полагая, что количество выделенной энергии, идущей на ионизацию, не зависит от рода вещества, получают, что верхний предел дозы облучения возрастает в
1,64 раза, т.е. он равен 1,8˙10¹⁴ см^-2.

Из данных, представленных в табл.2 и 3 для твердого сплава МС 111, вытекает, что в широком интервале доз 1˙10¹² 1,1˙10¹⁴ см^-2 величина К_с изменяется незначительно и близка к 2,0. Поэтому следует полагать, что дальнейшее увеличение дозы не намного изменит К_с. Более того, вполне вероятно, что величина К_с даже возрастет, поскольку вступит в действие еще один механизм упрочнения дислокационный, проявляющийся при большом количестве смещенных атомов матрицы.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОБРАБОТКИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО МАТЕРИАЛА путем облучения ионами гелия, отличающийся тем, что облучение ведут α -частицами с энергией в предалах 2 - 10 МэВ и дозами в пределах 1 · 10¹² - 1,8 · 10¹⁴см^-2.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение a-частицами ведут от природного источника с энергиями в пределах 2 - 9 МэВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2