Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия



Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия
Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия
Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия
Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия
Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия
Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия
Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия
Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия

 

C21D1/09 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2457261:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (ГОУ ВПО НИ ТПУ) (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к области упрочняющей обработки твердых сплавов инструментального назначения. Техническим результатом изобретения является повышение ресурса работы инструментов, деталей машин и механизмов, работающих в условиях резания, трения и абразивного износа. Для достижения технического результата рабочую поверхность инструмента или изделия из твердого сплава на основе карбида титана с никельхромовой связкой облучают импульсным сильноточным электронным пучком с энергией электронов 10-30 кэВ при длительности импульсов облучения 150-200 мкс и количеством импульсов 10-30, при этом электронно-пучковое облучение проводят в азотсодержащей плазме газового разряда при давлении азота 0,02-0,03 Па и плотность энергии в электронном пучке составляет 50-70 Дж/см2. 1 табл., 7 ил.

 

Изобретение относится к области упрочнения твердых сплавов инструментального назначения и может быть использовано для повышения ресурса работы инструментов, деталей машин и механизмов, работающих в условиях резания, трения и абразивного износа.

Известен способ повышения износостойкости твердосплавного инструмента или изделия [патент RU 2259407; C21D 9/22, 1/09; опубл. 27.08.2005] преимущественно на основе карбида титана TiC и никельхромовой связки (Ni-Cr) путем облучения рабочей поверхности твердого сплава импульсным сильноточным электронным пучком с длительностью импульсов облучения 2-3 мкс, энергией электронов 10-30 кэВ, плотностью энергии электронного пучка 4,5-5,5 Дж/см2 и числом импульсов облучения от 10 до 30. Указанная обработка позволяет повысить износостойкость твердого сплава почти в 2 раза.

Недостатком известного способа является модификация структурно-фазового состояния твердого сплава в очень тонком поверхностном слое (около 1 мкм), что обусловлено малой (2-3 мкс) длительностью импульсов электронно-пучкового облучения. В результате в процессе эксплуатации твердого сплава (например, при резании металла) на его рабочей поверхности происходит образование микротрещин и выкрашивание материала с модифицированной при электронно-пучковом облучении структурой.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ повышения износостойкости твердосплавного инструмента или изделия [патент RU 2338798; C21D 9/22, 1/09; опубл. 20.11.2008], преимущественно на основе карбида титана TiC и никельхромовой связки (Ni-Cr), путем облучения рабочей поверхности инструмента или изделия импульсным сильноточным электронным пучком с энергией 10-30 кэВ, количеством импульсов 10-30 при плотности энергии электронного пучка 30-40 Дж/см2 и длительности импульсов облучения 150-200 мкс (в качестве плазмообразующего газа в плазмонаполненном катоде для получения электронного пучка используется инертный газ аргон). В результате износостойкость твердого сплава повышается более чем в 3 раза.

Недостатком известного способа является низкая термическая стабильность физических свойств поверхностного слоя твердого сплава с модифицированной структурой. Наноструктурирование поверхностного слоя при электронно-пучковом облучении почти в 1.5 раза снижает величину коэффициента трения при комнатной температуре испытания. С повышением температуры испытания вплоть до 600°C наблюдается стабильное повышение величины коэффициента трения и при 600°C величина коэффициента трения увеличивается практически до величины коэффициента трения на поверхности металлокерамического сплава в исходном состоянии (фиг.1). Последнее означает, что при повышенных температурах происходит деструкция наноструктурных состояний и разупрочнение поверхностного слоя металлокерамического сплава. Указанный недостаток является существенным, поскольку режущие кромки, например, металлорежущего инструмента, нагреваются в процессе резания металла до температур 500-700°C.

На фиг.1 представлены температурные зависимости величины коэффициента трения на поверхности твердого сплава TiC-(Ni-Cr) в исходном состоянии и после импульсного электронно-пучкового облучения импульсами различной длительности при плотности энергии в электронном пучке 40 Дж/см2 и 15 импульсах облучения.

Задачей настоящего изобретения является разработка более эффективного способа электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия, преимущественно на основе карбида титана TiC и никельхромовой связки (Ni-Cr), позволяющего формировать в поверхностном слое термически стабильную структуру и, тем самым, значительно повысить ресурс работы твердосплавного инструмента или изделия в режиме резания металла при нагреве режущей кромки.

Указанный технический результат достигается тем, что как и в известном, так и в предлагаемом способе электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия, преимущественно на основе карбида титана TiC и никельхромовой связки (Ni-Cr), проводят облучение рабочей поверхности инструмента или изделия импульсным сильноточным электронным пучком с энергией электронов 10-30 кэВ при длительности импульсов облучения 150-200 мкс и количеством импульсов 10-30.

Новым является то, что в качестве плазмообразующего газа в плазмонаполненном катоде установки для электронно-пучкового облучения используется азот. Другими словами, импульсное электронно-пучковое облучение твердосплавного инструмента или изделия проводят в азотсодержащей плазме газового разряда при давлении азота 0,02 - 0,03 Па, при этом плотность энергии электронного пучка составляет 50-70 Дж/см2.

Сущность изобретения заключается в том, что при импульсном электронно-пучковом облучении в азотсодержащей атмосфере в поверхностном слое твердого сплава на межфазных границах раздела образуются наноразмерные частицы тугоплавких нитридов, стабилизирующие модифицированную электронно-пучковым облучением структуру поверхностного слоя твердого сплава при повышенных температурах.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.2 представлена схема одномерной модели импульсного электронно-пучкового облучения твердого сплава TiC-(Ni-Cr) в азотсодержащей плазме газового разряда и диффузионного взаимодействия азота с поверхностным слоем облучаемого образца. Атомарный азот образует на поверхности облучаемого твердого сплава адсорбционный слой повышенной концентрации, а в поверхностном слое твердого сплава - диффузионную зону переменного состава.

На фиг.3 представлены расчетные зависимости содержания азота в никельхромовом связующем поверхностного слоя металлокерамического сплава к концу процесса обработки от давления азота в камере электронно-пучковой установки при различных значениях плотности энергии в электронном пучке и постоянной длительности одиночных импульсов облучения (длительность импульса облучения 200 мкс): 20 (1), 40 (2), 60 (3) Дж/см2. С увеличением плотности энергии в электронном пучке и давления азота в камере содержание азота в поверхностном слое металлокерамического сплава за время одиночного импульса облучения увеличивается и тем в большей степени, чем больше плотность энергии в электронном пучке и больше давление азота в камере установки электронно-пучкового облучения. Анализ расчетных данных показывает, что за время одиночного импульса электронно-пучкового облучения при заданных параметрах облучения возможно азотирование металлического связующего поверхностного слоя металлокерамического сплава TiC-(Ni-Cr) на глубину до 5 мкм и более при содержании азота в поверхностном слое до 1,5-2,0 ат.%.

Экспериментальные исследования влияния давления азота в качестве плазмообразующего газа в плазмонаполненном катоде установки для импульсного электронно-пучкового облучения материалов показали, что оптимальное значение давления азота составляет от 0,2 до 0,3 Па (при значениях давления азота ниже и выше указанного диапазона не образуется устойчивая плазма).

На фиг.4 представлены микроструктуры поверхности металлокерамического сплава после импульсного электронно-пучкового облучения в аргон- (а) и азот- (б) содержащих атмосферах импульсами длительностью 200 мкс (15 импульсов) с плотностью энергии в электронном пучке 40 Дж/см2 (сканирующая электронная микроскопия). Установлено, что при электронно-пучковом облучении металлокерамического сплава в аргонсодержащей плазме газового разряда на поверхности металлокерамики наблюдается массовое образование микротрещин (фиг.4, а), в то время как на облученных в азотсодержащей плазме газового разряда поверхностях твердого сплава микротрещины и микрократеры отсутствуют (фиг.4, б).

На фиг.5 представлено электронно-микроскопическое изображение структуры поверхностного слоя твердого сплава TiC-(Ni-Cr) после импульсного электронно-пучкового облучения в азотсодержащей плазме газового разряда (50 Дж/см2, 150 мкс, 15 импульсов); а - светлое поле; б - темное поле, полученное в совпадающих рефлексах [002]Ni+[102]A1N; в - микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле).

На фиг.6, для сравнения, представлено электронно-микроскопическое изображение структуры поверхностного слоя металлокерамики TiC-(Ni-Cr), подвергнутой азотированию в плазме газового разряда в течение 1 часа; а - светлое поле; б - темное поле, полученное в совпадающих рефлексах [600]Ti2N; в - микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле). На (а) и (б) стрелкой указана частица Ti2N.

На фиг.7 представлены графические зависимости времени точения стали (сталь 45) до величины износа по переходной задней поверхности режущей кромки режущей пластины из твердого сплава, равного 1 мм, от длительности импульсов электронно-пучкового облучения в аргонсодержащей и азотсодержащей плазме газового разряда (стойкости пластин твердого сплава от режима электронно-пучкового облучения и состава плазмообразующего газа): кривая 1 - облучение в аргонсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 40 Дж/см2 и 15 импульсах облучения, 2 - облучение в азотсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 40 Дж/см2 и 15 импульсах облучения, 3 - облучение в азотсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 50 Дж/см2 и 15 импульсах облучения, 4 - облучение в азотсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 60 Дж/см2 и 15 импульсах облучения, 5 - облучение в азотсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 70 Дж/см2 и 15 импульсах облучения.

Можно констатировать, что смена аргонсодержащей плазмы на азотсодержащую, при тех же параметрах электронно-пучкового облучения, которые указаны в прототипе, приводит к снижению стойкости твердосплавной режущей пластины. Повышение плотности энергии в электронном пучке до 50-70 Дж/см2 при облучении в азотсодержащей плазме приводит к резкому повышению стойкости режущих пластин (до более чем в 5 раз) при длительности импульсов облучения 150-200 мкс.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Образцы из твердого сплава TiC-(Ni-Cr) размером 12×12×4 мм с отполированной до металлографического класса чистоты поверхностью помещали в рабочую камеру установки. Для получения аргонсодержащей или азотсодержащей плазмы в полый катод установки, после откачки вакуума до 10-4 Па, напускали аргон или азот до давления 0,02-0,03 Па. Поверхность образцов твердого сплава облучали электронным пучком с энергией электронов 30 кэВ при плотности энергии в пучке от 40 до 70 Дж/см2 и длительности импульсов облучения 100, 150 и 200 мкс. После облучения исследовали микроструктуру поверхностного слоя пластин и их стойкость в режиме резания металла (сталь 45). Стойкость пластин оценивали по времени достижения критической степени изнашивания режущей кромки (1 мм).

Из таблицы видно, что при облучении твердого сплава в азотсодержащей атмосфере при плотности энергии в электронном пучке 50 Дж/см2 происходит резкое увеличение времени точения стали - более чем в 5 раз по сравнению со временем точения пластиной после облучения по режиму и условиям прототипа. С увеличением плотности энергии в электронном пучке до 70 Дж/см2, при тех же параметрах облучения в азотсодержащей атмосфере, происходит некоторое уменьшение времени точения стали, но при этом время точения почти в 5 раз превышает время точения пластиной после облучения по режиму и условиям прототипа.

Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия, преимущественно из твердого сплава на основе карбида титана с никельхромовой связкой, включающий облучение рабочей поверхности инструмента или изделия импульсным сильноточным электронным пучком с энергией электронов 10-30 кэВ при длительности импульсов облучения 150-200 мкс и количеством импульсов 10-30, отличающийся тем, что упомянутое облучение проводят в азотсодержащей плазме газового разряда при давлении азота 0,02-0,03 Па с плотностью энергии в электронном пучке, составляющей 50-70 Дж/см2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области термической обработки металлов и может быть использовано на машиностроительных предприятиях в инструментальном производстве при изготовлении разделительных штампов.

Изобретение относится к плазменной химико-термической обработке поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении. .
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано, в частности, для изготовления матриц штампов. .
Изобретение относится к области машиностроения и термической обработке при изготовлении слесарно-монтажного ручного инструмента. .
Изобретение относится к области машиностроения и термической обработке при изготовлении монтажного ручного инструмента из двухфазных титановых сплавов с твердостью 40 50 HRC.

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке сталей и сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения надежности штампов из сложнолегированных сталей при термической обработке в присутствии внешнего магнитного поля.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке режущего инструмента из инструментальных быстрорежущих сталей при воздействии на изделие магнитным полем и может быть использовано в машиностроении.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке заготовок из инструментальных штамповых сталей, используемых при изготовлении прессовой оснастки, работающей при высоких температурах.

Изобретение относится к области термической обработки деталей машин и механизмов. .

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к электромеханической обработке деталей. .

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к электромеханической обработке деталей. .
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к изготовлению сложных профилей проката в потоке непрерывных среднесортных станов. .
Изобретение относится к способам восстановления и упрочнения металлических внутренних поверхностей отверстий деталей. .
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для реализации процессов термической обработки деталей, к поверхности которых предъявляются особые требования.

Изобретение относится к способам плазменной обработки и может быть использовано для упрочнения локомотивных и вагонных колес из углеродистой марганцовистой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для финишной термической обработки, совмещенной с правкой растяжением, труб прутков и профилей, в частности, из коррозионно-стойких сталей.

Изобретение относится к оборудованию для термической обработки изделий шарообразной формы, в частности, в массовых производствах мелющих тел, шариков подшипников качения и клапанов в гидравлических системах.

Изобретение относится к термообработке деталей. .

Изобретение относится к термообработке деталей. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для получения круглых в плане изделий с мелкозернистой структурой. .
Наверх