Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для прогнозирования - контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов при их изготовлении, использовании или сертификации. Сущность: проводят испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной и приповерхностной структуры, сформированной в процессе изготовления твердосплавного режущего материала. Проводят эталонные испытания на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающие интенсивный диффузионный износ при оптимальной или близкой к ней скорости резания. Строят эталонную - корреляционную зависимость «износостойкость - исходный параметр». Осуществляют статистический контроль только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов, а прогнозирование износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов осуществляют на основании зависимости. В качестве исходного параметра используют величину концентрации кислорода, содержащегося в поверхностной и в приповерхностной структуре твердого сплава, с уменьшением которой износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р возрастает. Технический результат: повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для прогнозирования - контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов при их изготовлении, использовании или сертификации.

Известен способ определения износостойкости твердых сплавов, заключающийся в том, что испытуемый материал помещают в переменное магнитное поле с напряженностью порядка 5 эрстед, измеряют магнитную проницаемость материала и по градировочному графику «магнитная проницаемость - стойкость», построенному для эталонного образца, определяют величину износостойкости материала [SU 268720 A1, МПК 6 G01N 3/58, БИ №14, 1970].

Одним из недостатков известного способа является то, что при измерении не учитывается влияние массы и размагничивающего фактора изделий, имеющих часто различные формы и габаритные размеры, которые влияют на величину магнитной проницаемости. Последнее приводит к снижению точности измерений. Кроме того, эксплуатационная характеристика - износостойкость контролируется данным способом посредством оценки физического состояния с помощью относительной магнитной проницаемости только в одной из компонент твердого сплава - кобальтовой связке. Это происходит потому, что карбид вольфрама - парамагнетик и вклад его от намагниченности в общую относительную магнитную проницаемость небольшой. Поэтому, с помощью данного способа производится, по существу, оценка относительной магнитной проницаемости кобальта, его количество и деформационное состояние. При этом совершенно не учитываются другие свойства поверхности и объема твердого сплава, в том числе, когезионное и адгезионное состояние на границах фаз и в объеме компонентов твердого сплава и т.д. Вследствие рассмотренных причин этот способ отличается низкой точностью при оценке износостойкости твердых сплавов.

Известен способ контроля режущих свойств партии твердосплавных инструментов, в соответствии с которым, сначала воздействуют на каждый инструмент (твердосплавную пластину) из партии. Затем, по измеренному параметру контроля и по результатам износа отобранного инструмента определяют режущие свойства всей партии инструментов. В качестве воздействия используют равномерно распределенный импульсный нагрев. При этом регистрируют хронологическую термограмму облученного световым потоком инструмента и по ней определяют коэффициент температуропроводности, который используют в качестве параметра контроля, характеризующего режущие свойства. [SU 1651155 A1, МПК 5 G01N 3/58, БИ №19, 1991]. Выбранным исходным параметром в данном способе является величина температурной проводимости. Основным недостатком данного способа является то, что очень трудно, более или менее точно, определить скорость распространения тепла в материалах, в которых носителями тепла являются свободные электроны. Твердые сплавы являются такими материалами, и теплопередача у них обеспечивается за счет движения электронов. Температурная проводимость всех твердых сплавов отличается на незначительную величину. Вследствие этого при контроле очень сложно определить флуктуации температурной проводимости (изменяющие износостойкость) для одной конкретной марки твердого сплава (они практически незаметны). Кроме того, измерение температурной проводимости сопряжено с большими техническими трудностями. Качественное обеспечение действий проверки, в этой ситуации, надежными - воздействующими, регистрирующими и вспомогательными приборами и устройствами, гарантирующими высокую точность измерений, повлечет за собой значительное повышение себестоимости контрольных операций. Вследствие этого данный способ контроля является малоперспективным для использования, как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Известен способ прогнозирования износостойкости режущего инструмента, выбранный в качестве прототипа и заключающийся в следующем. Сначала проводят эталонные испытания режущих инструментов при оптимальной или близкой к ней скорости резания. Затем проводят испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной полиоксидной структуры твердого сплава, сформированной в процессе его нагревания, строят эталонную корреляционную зависимость "исходный параметр - износостойкость" и выполняют статистический контроль только величины исходного параметра для текущей партии твердосплавных режущих инструментов. После этого прогнозируют износостойкость для текущей партии инструментов на основании зависимости:

где Т(текущее), мин - износостойкость в минутах - среднее прогнозируемое время безаварийной работы твердосплавных режущих инструментов, подвергающихся испытаниям, из текущей партии образцов;

Т(эталонное), мин. - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

Т(эталонное), пс. - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;

Т (текущее), пс. - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей - контролируемой партии. В качестве исходного параметра при этом используют величину времени жизни позитронов, внедренных в поверхность и приповерхностные слои твердых сплавов и производящих оценку электронной плотности их структуры. По величине электронной плотности прогнозируют износостойкость изготовленных режущих инструментов. [SU 2251095 C1, МПК 7 G01N 3/58, БИ №12, 2005]. Основным недостатком данного способа является высокая организационная сложность в его осуществлении. Для реализации этого способа необходим радиоактивный источник. В соответствии с нормами для его обслуживания существуют высокие требования. Необходимо иметь специальное помещение для его хранения. Измерение соответствующих параметров и обработку полученных результатов могут производить только специально подготовленный и обученный персонал. С помощью данного способа производится оценка структуры на атомном уровне и не всегда сопоставление данных результатов с результатами получаемые по износостойкости приводит к точному прогнозу. Данный способ позволяет производить разбраковку - прогнозировать износостойкость твердых сплавов близких по виду и степени дефектности структуры. Сравнение структур сильно различающихся по виду и степени дефектности дает достаточно заметные погрешности в прогнозе износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Вследствие этого данный способ прогнозирования износостойкости не совсем точно характеризует эксплуатационные свойства, предопределяемые степенью дефектности структуры, что в итоге снижает степень тесноты корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих инструментов. Тем не менее, данный способ контроля информативно отражает эксплуатационное состояние поверхностной структуры инструментального материала, что важно для установления связи между данной характеристикой и диффузионным износом, в большой степени зависящим от прочности химических связей между элементами, входящими в состав структуры твердых сплавов и, мы выбираем его в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого способа - прогнозирования износостойкости твердосплавных вольфрам - титан - кобальтовых (группа Р) режущих инструментов является повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Прогнозирование основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и концентрацией кислорода, содержащегося в поверхностной и приповерхностной структуре твердого сплава. С уменьшением концентрации кислорода в поверхностной и приповерхностной структуре твердых сплавах группы применяемости Р износостойкость, изготовленных из этих твердых сплавов режущих инструментов, при резании ими сталей и сплавов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, возрастает.

Поставленная задача при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов (режущих пластин) группы применяемости Р, в предлагаемом способе решается путем использования выбранного исходного параметра и включает: проведение испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной и приповерхностной структуры, сформированной в процессе изготовления твердосплавного режущего материала, проведение эталонных испытаний режущих инструментов на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ при оптимальной или близкой к ней скорости резания, построение эталонной - корреляционной зависимости «износостойкость - исходный параметр», статистический контроль только величины исходного параметра у текущей (поступающей к потребителю) партии твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов на основании зависимости:

где a_Э и b_Э - постоянные коэффициенты:

из них:

Т_ПТ - текущая износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов, подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;

S_ПТ - текущее значение выбранного исходного параметра, полученное при контроле поверхностной и приповерхностной структуры твердосплавных режущих инструментов из текущей - прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;

Тэ₁ и Тэ₂ - износостойкость в минутах для двух независимых выборок сменных твердосплавных режущих инструментов из эталонной (предыдущей) партии твердосплавной продукции;

Sэ₁ и Sэ₂ - средние значения величин выбранного исходного параметра, полученные при контроле поверхностной и приповерхностной структуры для двух независимых выборок образцов твердосплавных режущих инструментов, из эталонной партии продукции, отличающийся тем, что с целью повышения точности прогнозирования износостойкости в качестве исходного параметра используют величину концентрации кислорода, содержащегося в поверхностной и в приповерхностной структуре твердого сплава, с уменьшением которой износостойкость твердосплавных режущих инструментов, группы применяемости Р, возрастает.

Поверхностная и приповерхностная структура твердосплавного режущего инструмента группы применяемости Р, формирующаяся в процессе изготовления твердого сплава, оказывает большое влияние на его износостойкость. Одной из основных характеристик поверхностной и приповерхностной структуры, определяющей важнейшие физико-механические и эксплуатационные свойства твердосплавных режущих инструментов данной группы, является ее способность аккумулировать высокую концентрацию газовых элементов. С одной стороны, с помощью различных способов контроля было установлено, что в состав поверхностной и приповерхностной структуры твердого сплава группы применяемости Р входит достаточно высокое содержание кислорода. С другой стороны известно, что износостойкость твердосплавных режущих инструментов, в значительной степени определяется составом и структурой поверхности и приповерхностной области. Вследствие этого предлагаемый способ прогнозирования износостойкости режущих инструментов по содержания кислорода в поверхностной и приповерхностной структуре твердых сплавов является достаточно обоснованным, надежным и точным.

Кислород оказывает большое влияние, как на формирование самой поверхностной и приповерхностной структуры твердого сплава, так и на процессы, развивающиеся в зонах взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов в процессе резания. Насыщение твердого сплава кислородом происходит, в основном, на этапе приготовления составляющих компонентов (металлических порошков) в процессе их восстановления из оксидной массы, на этапе последующего их измельчения с помощью размола в шаровой мельнице, а также при размолах порошков после насыщения их углеродом. Причем основная концентрация, аккумулируемого твердым сплавом группы применяемости Р кислорода, в итоге, накапливается на поверхности и в приповерхностных слоях структуры. В процессе измельчения молекулы кислорода вначале, адсорбируются наиболее активными в химическом отношении участками рельефа поверхности и приповерхностной области, размалываемых порошковых частиц. Затем, за счет диффузии, кислород проникает в более глубинные слои данных компонентов. С увеличением удельной поверхности измельчаемых частиц при размоле адсорбирующая способность их возрастает, а концентрация поверхностного кислорода возрастает.

Исходными компонентами при получении карбидных частиц являются оксиды металлов и углерод. В процессе карбидизации не весь кислород вытесняется углеродом из кристаллических решеток оксидов титана и вольфрама. Вследствие этого в карбидных порошках титана, вольфрама и сложного карбида на основе титана и вольфрама всегда присутствует некоторая концентрация кислорода в виде оксикарбидов. Более того, вследствие последующего размола полученной карбидной компоненты, происходящего в условиях открытой атмосферы, происходит дополнительное насыщение ее кристаллической решетки кислородом.

В процессе эксплуатации твердосплавных группы применяемости Р режущих инструментов проникновение в структуру твердых сплавов кислорода происходит в результате процессов его адсорбции карбидными зернами, кобальтовой прослойкой и межфазными границами. К субъектам поверхностной и приповерхностной структуры карбидных зерен и кобальтовых частиц, которые в первую очередь адсорбируют значительную концентрацию молекул кислорода из окружающей атмосферы, при эксплуатации твердосплавных режущих инструментов, относится пространство сообщающихся и закрытых пор, а также полости, образуемые системой коротких ветвящихся трещин. Наиболее высокая концентрация пор и трещин содержится в структуре карбидных зерен. Кобальтовая прослойка содержит в основном высокую концентрацию коротких ветвящихся трещин. Межфазные границы, одновременно, содержат высокую концентрацию пор и трещин. Причем в среде данных структурных дефектов содержится значительное количество пор и трещин с размерными параметрами, обеспечивающими их повышенную адсорбционную активность по отношению к газовым молекулам кислорода. Их концентрация зависит от конкретных особенностей получения компонентов твердых сплавов и их спекания.

При резании сталей и сплавов, вследствие указанных причин, возникает высокая вероятность формирования на поверхности карбидных частиц структур с различным содержанием кислорода. Оксикарбидные соединения, образующиеся на поверхности карбидных компонентов твердых сплавов, имеют высокий разброс термодинамической стабильности. Вследствие этого некоторая концентрация кислорода, вследствие разложения за счет термической и механической активации нестабильных формирований диффундирует в приповерхностные слои инструментальных композитов.

Кислород, проникающий в твердые сплавы, на всех этапах изготовления компонентов и композита в целом, принимает активное участие в формировании пористой структуры. Взаимодействие кислорода с углеродом и с металлической компонентой при определенных условиях приводит к образованию, в том числе, карбонильных соединений, существующих при высоких температурах только в газообразном состоянии. При снижении температуры, вследствие завершения технологического процесса образования карбидов, из их структуры происходит выделение газовых соединений на основе кислорода, углерода и металлического элемента. Перемещение газовой атмосферы из глубинных слоев к поверхности сопровождается образованием развитой системы открытых и закрытых пор. Выделение газовых соединений стимулируется их высоким давлением во внутренней структуре твердых сплавов. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что при разложении газообразных карбонильных соединений, содержащихся внутри простых и сложных карбидов, и имеющих начальную высокую плотность, образуется значительный объем газа. Сформировавшаяся пористая структура является эффективной аккумулирующей емкостью, при последующем ее заполнении кислородом на этапе эксплуатации твердосплавных режущих инструментов.

Система трещин в структуре карбидных и кобальтовых частиц образуется на этапах их размола в шаровой мельнице. Данный процесс заканчивается также насыщением полостей, адсорбированным кислородом. Наиболее активными, в отношении адсорбции кислорода, являются внутренние полости и трещины, приобретающие наноразмерные параметры, сопоставимые с размерами адсорбируемых частиц. Вследствие высокого концентрационного градиента и беспрепятственного перемещения по наноразмерным каналам значительная часть адсорбированного поверхностью кислорода перемещается в приповерхностную структуру.

Адсорбирующая активность ювенильных поверхностей, формирующихся при измельчении - разрушении частиц в шаровой мельнице, зависит от концентрации активных центров, возникающих в плоскости сколов. Максимальная концентрация активных центров возникает в плоскости сколов кристаллической решетки с наиболее плотной упаковкой атомов. Разрушение карбидных и кобальтовых компонентов в плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов происходит, в каждом конкретном случае размола, при определенных режимах, характеризующихся применением определенных размеров размалывающих шаров, их размеров и скорости вращения барабана.

Молекулы кислорода, вследствие контакта с образующимися в результате разрушения поверхностями адсорбируются ими, как физическим способом - за счет небольших сил взаимодействия, так и химическим, заканчивающимся образованием значительно более прочных соединений между адсорбентом и адсорбатом. Физически адсорбированная молекула кислорода имеет возможность перемещения по поверхности и, при встрече с различными по активности центрами адсорбента, избирательно, образует наиболее устойчивую связь. Вместе с тем некоторая концентрация физически адсорбированных молекул подвергается десорбции с поверхности частиц. При химической адсорбции молекулы кислорода захватываются активными центрами поверхности частиц и диссоциируют на атомы. Одна часть атомов кислорода, в результате диссоциации молекул, взаимодействует с элементами поверхности адсорбента и образует химические соединения. Другая часть атомов может активно подвергаться диффузии в объемные слои частиц. Встреча атомов кислорода в глубинных слоях порошковых частиц с сильным активным центром заканчивается химической адсорбцией, а со слабым активным центром - физической адсорбцией. Поверхностный слой атомов кислорода, адсорбированный порошками, может быть, как сплошным, так и дискретным, химически стабильным и не стабильным. Это зависит от состава частиц, их удельной поверхности, энергетического состояния и др. Формирование на поверхности частиц оксидного слоя с той или иной степенью дискретности и стабильности зависит от концентрации и силы активных центров, образованных на порошковых компонентах и состава окружающей газовой среды. Наиболее стабильные кислородные соединения - сегрегации формируются вблизи сильных активных центров на поверхности частиц. При высокой концентрации активных центров на поверхности частиц кислородные сегрегации распространяются, объединяются, а затем и наслаиваются. В таком случае образуется сплошной оксидный покров, состоящий местами из нескольких атомных слоев. При низкой концентрации сильных активных центров на поверхности частиц, атомы и молекулы кислорода скапливаются вблизи сосредоточения нескольких активных центров и образуют соединения с атомами подложки без дальнейшего их распространения. В этом случае образуется дискретный поверхностный ландшафт оксидного адсорбата. Одновременно с адсорбцией поверхностью кислорода происходит его диффузия в приповерхностные слои структуры твердых сплавов.

В процессе спекания сформованной порошковой массы, значительная концентрация физически адсорбированных молекул кислорода, как на поверхности, так и в глубинных слоях порошковых частиц может переходить в химически адсорбированное состояние с образованием химических соединений со сложным карбидом, карбидом вольфрама, карбидом титана или кобальтом. Одновременно с данным процессом некоторая концентрация физически адсорбированных молекул кислорода, имеющих слабую связь с частицами, находящимися в глубинных слоях спекаемой формовки, за счет температурного градиента, перемещаются к поверхности твердосплавного полуфабриката. В итоге, в поверхностных и приповерхностных слоях, спекаемого твердого сплава формируется высокая концентрация атомов и молекул кислорода, образующих различные по прочности соединения с металлическими компонентами. При этом, если во внутреннем объеме спекаемого твердого сплава основная концентрация кислорода, находящегося в твердом растворе со сложным карбидом, карбидом вольфрама, титана и кобальтом располагается в глубинных слоях составляющих компонентов (карбидных зерен и кобальтовой прослойки), то в приповерхностных слоях кислород находится на периферии, как карбидных зерен, так и кобальтовой прослойки.

В процессе эксплуатации твердосплавных режущих инструментов на контактных поверхностях режущего клина, вследствие поступления кислорода из внутренней структуры, а также поступления кислорода в зону контакта со стороны окружающей газовой атмосферы, непрерывно формируются, подвергаются разрушению и регенерации тонкопленочные полиоксидные структуры. Интенсивность образования полиоксидных пленочных структур возрастает с увеличением концентрации кислорода, содержащегося во внутренней структуре твердых сплавов и концентрации кислорода, адсорбируемого контактными поверхностями режущего инструмента из окружающей газовой среды.

Твердосплавные режущие инструменты группы применяемости Р предназначены для обработки материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. Адгезионное взаимодействие в зонах контакта инструментального и обрабатываемого материалов в таком случае является незначительным. Вследствие этого отсутствует необходимость в формировании на контактных поверхностях режущего инструмента оксидных и полиоксидных диссипативных структур, призванных осуществлять твердую смазку и экранировать межмолекулярное взаимодействие. Более того, образовавшаяся полиоксидная поверхностная структура, непрерывно подвергающаяся интенсивной механоактивации в межконтактных зонах, становится одним из реагентом или катализатором твердофазных реакций (диффузионного износа) между инструментальным и обрабатываемым материалом. При этом в результате прямых или не прямых химических реакций, происходящих в зонах контакта, наступает более активное превращение нижележащих слоев инструментального материала в оксидные и полиоксидные структуры, инициируемые уже сформированными механоактивируемыми оксидными и полиоксидными структурами, расположенными над ними. Образование оксидных поверхностных структур и их распространение в глубинную структуру твердого сплава, в представленной последовательности, является, одним из основных видов разрушения режущего клина, приводящим к снижению эксплуатационных характеристик режущего инструмента. Вследствие представленного можно сделать вывод, что износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, с увеличением в их поверхностной и приповерхностной структуре концентрации кислорода, снижается.

Процесс окисления структуры твердого сплава и ее сублимация - переход из твердого в газообразное состояние, минуя газообразную фазу, происходит при достаточно высоких температурах эксплуатации режущего инструмента. При резании инструментами из твердых сплавов группы применяемости Р сталей и сплавов, вызывающих интенсивный диффузионный износ температура контактных поверхностей режущего инструмента всегда выше температур контактных поверхностей обрабатываемого материала. Вследствие этого газообразное состояние сублимируемого вещества не достигает своего насыщения. Конденсация образующегося газообразного сублимата со стороны передней поверхности режущего клина преимущественно, в данных условиях, происходит исключительно на внутреннюю поверхность сходящей стружки, а со стороны задней поверхности - на поверхность резания. Отсутствие условий, обеспечивающих состояние насыщения газового оксида, и его конденсация на поверхности обрабатываемого материала, стимулирует диффузию кислорода из глубинных слоев твердого сплава, дополнительно усиливает окислительные процессы контактных поверхностей и сублимацию оксидного вещества. В процессе диффузионных процессов в поверхностной и приповерхностной структуре твердых сплавов в данном случае формируется высокая концентрация различного вида пор. При этом внутренние поверхности системы пор, одновременно с их образованием, начинают активно адсорбировать кислород окружающей газовой среда и инициировать поступление кислорода в их полости из глубинных слоев структуры твердых сплавов. Увеличение концентрации и объема поверхностных и приповерхностных пор, происходящее в процессе эксплуатации режущего инструмента дополнительно приводит к увеличению аккумулирующей емкости для кислорода, адсорбируемого поверхностью из окружающей газовой среды и поступающего за счет диффузии из глубинной структуры твердого сплава в поверхностные и приповерхностные слои. Одновременное протекание данных процессов приводит к еще более интенсивному окислению контактных поверхностей режущего клина и его ускоренному износу. Наиболее интенсивно, вновь, адсорбируют кислород открытые и закрытые полости поверхностной структуры твердых сплавов, имеющих наноразмерные параметры. Такие полости возникают в результате сублимации оксидных и оксикарбидных образований сформированных в полостях и трещинах, образованных ранее на отдельных стадиях получения твердых сплавов.

Основным структурным компонентом твердых сплавов группы применяемости Р является наличие в их структуре сложного соединения на основе карбидов титана и вольфрама. Именно данный комплексный карбид обеспечивает наличие у твердых сплавов данной группы свойств, эффективно оказывающих сопротивление высокотемпературным видам изнашивания. Предельно насыщенный твердый раствор карбида вольфрама в карбиде титана обеспечивает наиболее высокие эксплуатационные характеристики твердосплавным режущим инструментам группы применяемости Р, при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. При наивысшей степени стехиометрии между карбидом титана и карбидом вольфрама в составе твердого раствора достигается для твердых сплавов наибольшая твердость, достаточно высокая прочность, теплостойкость, жаропрочность, износостойкость при резании материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. Постепенное частичное или полное разрушение сложных карбидных зерен в общей структуре твердого сплава, происходящее в процессе механической обработки сталей и сплавов приводит к значительному снижению эксплуатационных характеристик режущих инструментов.

Наиболее разрушительным последствием высокого содержания кислорода во внутренней структуре твердого сплава является окисление карбида вольфрама, входящего в твердый раствор с карбидом титана. Вследствие этого наступает общая катастрофическая деградация структуры твердосплавной композиции. Нарушается надежная связь между кобальтовой матрицей и сложными карбидными зернами. Отделяемые от контактных поверхностей режущего клина частицы кобальтовой связки и карбида титана, вследствие разрыхления структуры, уносятся сходящей стружкой и поверхностью резания, интенсифицируя, тем самым, абразивный износ. Процессы окисления карбида вольфрама в твердосплавной композиции существенным образом нарушают термодинамическое равновесие в стехиометрическом твердом растворе состава: карбид титана - карбид вольфрама. Окисление карбида вольфрама инициирует также окисление и переход из твердого в газообразное состояние и других компонентов твердого сплава.

Наиболее низкую энергию перехода из твердого в газообразное состояние имеют оксиды вольфрама и кобальта, а наиболее высокую - оксид титана. Процессам окисления и сублимации сформированных оксидных образований могут способствовать дефекты структуры твердых сплавов. К ним относятся нестехиометрия карбидных зерен, неоднородность фазового состава в кобальтовой прослойке, наличие различного рода примесей. С увеличением степени нестехиометрии карбидных зерен и фазовой неоднородности в составе кобальтовой прослойке процессы окисления и сублимации данных компонентов твердого сплава интенсифицируется.

При высокой степени стехиометрии между карбидом титана и карбидом вольфрама в составе сложного карбида достигаются наиболее высокие эксплуатационные характеристики для твердосплавного режущего инструмента.

Наличие в компонентах твердых сплавов некоторых примесей также может способствовать процессам окисления карбидов и последующей сублимации, формирующимся оксидам. К ним относятся примеси щелочных и щелочноземельных металлов. Данные примеси могут быть зародышами в процессах окисления, а также стимулировать процессы сублимации. С увеличением в составе компонентов твердых сплавов примесей щелочных и щелочноземельных металлов скорость окисления и сублимации возрастает. Это происходит вследствие высокой адсорбционной активности данных элементов по отношению к кислороду, низкой энергией образования оксидных образований, высокой летучестью образуемого газообразного сублимата. Примеси рассматриваемых элементов могут, также, выполнять, роль катализаторов процесса окисления. Кроме этого их соединения с металлическими элементами компонентов твердых сплавов могут подвергаться окислению и сублимации при более низких температурах и этим самым способствовать началу интенсивного процесса перехода твердого вещества в газообразное состояние. Участие примесей в процессах окисления и сублимации значительным образом активизирует процессы диффузии кислорода из глубинных слоев твердого сплава к контактным поверхностям режущего клина. Последнее обстоятельство, в свою очередь, интенсифицирует явление окисления и сублимации и ускоряет разрушение контактных поверхностей режущего клина. Увеличение содержания примесей в компонентах твердых сплавов существенным образом изменяют кинетику режимов окисления и сублимации. С ростом концентрации указанных выше примесей ускоряются процессы зародышеобразования оксидов и их сублимации. Износостойкость режущих инструментов группы применяемости Р при резании ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ в этом случае значительно снижается.

Существенно важной особенностью предлагаемого способа прогнозирования износостойкости является то, что в соответствии с его приемами - без дополнительных затрат и технических трудностей представляется возможным проводить более объективную и точную оценку износостойкости - вследствие оперативного анализа и сопоставления текущих контролируемых и эталонных параметров, полученных в широком диапазоне режимов резания и температур резания. На свойства твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р большое влияние оказывают износостойкие покрытия. Между содержанием кислорода на поверхности и в приповерхностных слоях этих твердых сплавов и их эксплуатационными характеристиками наблюдается также устойчивая корреляционная связь. И для данных инструментальных материалов соблюдается правило: с уменьшением аккумулированного их поверхностью и приповерхностной областью кислорода износостойкость режущих инструментов возрастает. Соответственно предлагаемый способ прогнозирования износостойкости для оценки их эксплуатационных характеристик также применим.

Реализация способа производится, последовательно проходя несколько этапов. Сначала твердосплавные режущие инструменты (режущие пластины) подвергают испытанию в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. После испытаний на износостойкость режущие пластины тщательно очищают, подвергают полированию одну из поверхностей (например, посадочную или боковую), тщательно промывают в спиртовом растворе, сушат и, наконец, испытывают на содержание кислорода на поверхности и в приповерхностной области. Контроль можно отнести к неразрушающим методам, потому что режущие пластины, в случае наличия у них, оставшихся неиспользованными, режущих граней (многогранные режущие пластины) можно продолжать эксплуатировать.

Ввиду большого влияния, оказываемого аккумулированным кислородом на эксплуатационные характеристики твердых сплавов группы применяемости Р, а также вследствие его размещения преимущественно на поверхности и в приповерхностной структуре, прогнозирование износостойкости режущих инструментов группы применяемости Р осуществляли при сопоставлении износостойкости с общим содержанием кислорода на поверхности и в приповерхностной области структуры данных твердых сплавов.

Процесс диагностирования поверхности и приповерхностной области твердого сплава, глубиной до 0,15 мм на содержание кислорода производили с помощью атомно-эмиссионного спектрометра, работающего в режиме тлеющего разряда модели GD-Profiler-2 фирмы HORIBA. Настройка прибора на процесс идентификации кислорода в твердосплавных режущих пластинах группы применяемости Р производится с помощью эталонных образцов. Работа осуществлялась в следующей последовательности: Сначала подготавливают поверхности образцов твердого сплава группы применяемости Р к проведению на них измерений. Поверхность предварительно полируют до R_A=0,32-0,63 мкм. После очистки поверхности в ультразвуковой ванне и сушки в течение 2-4 мин при комнатной температуре образец-пробу прикладывают к выходному окну полого анода спектрометра и включают вакуумный насос, создающий высокий вакуум в измерительной камере - внутренней полости анода. Удержание образца - катода у выходного окна осуществляется за счет образования во внутренней полости анода вакуума порядка 10^-4-10^-3 мм рт. ст. После создания в измерительной камере высокого вакуума ее внутреннее пространство заполняется незначительным количеством аргона особой чистоты и, одновременно, между образцом - катодом и анодом создается высокое пульсирующее напряжение с частотой 13,56 мГц. Такое напряжение создается специальным радиочастотным генератором. Под действием высокочастотного напряжения происходит ионизация атомов аргона и их направленное движение к катоду - твердосплавному образцу. При малом давлении аргона в разрядной ячейке - пустотелом аноде, всегда имеется некоторая концентрация положительно заряженных ионов и электронов. Под действием разности потенциалов между катодом и анодом электроны устремляются к аноду, а положительно заряженные ионы аргона к катоду-образцу. Ионы аргона за счет большой кинетической энергии активизируют атомы катода - твердого сплава и способствуют образованию вторичных электронов. В процессе горения плазмы тлеющего разряда происходит непрерывный процесс возбуждения атомов поверхности образца и релаксация возбужденного состояния. Переход на более высокий энергетический уровень распыляемых атомов образца происходит, как за счет атомов и ионов аргона, так и за счет вторичных электронов. Вторичные электроны ускоряются от катода и испытывают на своем пути различные столкновения, в том числе с атомами и ионами образца. В результате релаксации возбужденного состояния, при переходе атомных электронов образца от высоких к низким уровням энергий, происходит излучение кванта энергии. Световые излучения фиксируются и обрабатываются специальными приемниками и фотоумножителями. Концентрация кислорода в структуре (в том числе и по глубине) идентифицируется с интенсивностью появления характеристических линий в его спектре. Спектральный анализ кислорода по глубине идентифицируется с длительностью горения плазмы тлеющего разряда и вносится заранее в программу работы спектрометра. Данные по обработке получаемых спектров передаются на аналогово-цифровой преобразователь, а затем на компьютерный процессор и, наконец, на дисплей компьютера. Полностью контроль отображается на экране процессорного блока. Обычно время измерения составляет не более 5 мин. Измерение характеризуется высокой воспроизводимостью результатов, т.к. исключает ошибки, связанные с отбором, подготовкой и анализом отдельных конкретных образцов твердого сплава, характерные для традиционных методов анализа.

Прогнозирование износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ заключается в том, что сначала производят стойкостные испытания твердосплавных режущих пластин из двух выборок партий твердосплавной продукции, определяют износостойкость каждой режущей пластины, определяют средние значения износостойкости для режущих пластин для каждой выборки, производят подготовку образов (полирование очистка, сушка), помещают образцы по очереди в спектрометр, определяют концентрацию аккумулированного поверхностью и приповерхностной областью кислорода в каждом образце, определяют средние значения выделившегося кислорода для образцов для каждой выборки, строят график зависимости износостойкости от концентрации кислорода. Затем прогнозирование износостойкости у поставляемой партии твердосплавных режущих пластин группы применяемости Р производят без испытания их в процессе резания, а только по наличии у них концентрации кислорода в их поверхностной и приповерхностной структуре. С уменьшением концентрации кислорода в поверхностной и приповерхностной структуре твердосплавных режущих пластин группы применяемости Р их износостойкость при резании материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ возрастает. При этом для прогнозирования износостойкости используют зависимость (1) а также пользуются графиком зависимости «износостойкость - концентрация кислорода», полученным ранее при испытании - прогнозировании износостойкости первых (эталонных) партий твердосплавных режущих пластин.

На фиг. 1 представлена эталонная зависимость «износостойкость - концентрация кислорода», на основании которой производится прогнозирование износостойкости твердосплавных группы применяемости Р режущих пластин при резании ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ.

На фиг. 2 представлена схематическая зависимость содержания кислорода в поверхностной и приповерхностной структуре твердого сплава в течение заданной продолжительности горения тлеющего разряда.

Насыщение структуры твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р кислородом происходило в процессе изготовления отдельных компонентов и последующего спекания композита. Концентрация аккумулированного структурой кислорода отражает особенности химического состава и характер изготовления составляющих компонентов и твердого сплава в целом.

С учетом рассмотренных особенностей взаимодействия твердосплавных инструментальных материалов группы применяемости Р с кислородом можно констатировать, что на процесс насыщения структуры твердых сплавов кислородом оказывают большое количество управляемых факторов, к числу которых относятся, например основные: состав исходных материалов, предназначенных для получения порошков вольфрама, титана, кобальта, графита, наличие у них тех или иных примесей, технология получения указанных порошков, технология получения карбидов, сложного карбида, особенности размола и механоактивации порошков, особенности процесса спекания компонентов твердых сплавов, состав газовой среды, используемой при получении порошков и их спекании. Путем целенаправленного управления общим процессом следует обеспечить такие условия для получения твердых сплавов, при которых поверхность и приповерхностная структура будет аккумулировать наименьший, из возможных, объем кислорода. Такой подход обеспечит формирование наиболее оптимальной структуры твердых сплавов при их изготовлении. При этом с уменьшением в структуре твердых сплавов группы применяемости Р кислорода, их износостойкость, при резании материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, возрастает.

Пример осуществления способа прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Сначала, полученные при выборке две партии, (принятые в качестве эталонных) в количестве по 10 штук каждая, твердосплавных режущих пластин группы применяемости Р марки Т15К6 подвергались испытаниям на износостойкость на токарно-винторезном станке модели 163. В качестве обрабатываемого материала использовалась углеродистая сталь 45. Скорость резания при испытаниях выбиралась равной 190 м/мин. Подача и глубина резания принимались соответственно 0,23 мм/об. и 1,5 мм. Резание осуществлялось без охлаждения. За критерий затупления (потери режущих свойств) принимался износ режущей пластины по задней поверхности, равный 0,8 мм.

Стойкость (T_1i) для образцов из 10 штук первой эталонной партии составила: 53,1; 52,0; 51,3; 50,4; 49,3; 48,5; 47,6; 46,8; 46,0; 45,3 мин. Среднее значение стойкости составило 49,0 мин.

Стойкость (T_2i) для образцов из 10 штук второй эталонной партии составила: 55,8; 55,0; 53,9; 53,1; 52,4; 51,4; 50,6; 50,0; 49,4; 48,4 мин. Среднее значение стойкости составило 52,0 мин.

Затем, испытанные твердосплавные пластины после полировки химической очистки в ультразвуковой ванне и сушки подвергались обследованию на определение аккумулированного структурой поверхности и приповерхностной области кислорода. Оптимальная шероховатость подготавливаемой при полировке поверхности составляет К_А=0,32-0,63 мкм.

Подготовленные таким образом твердосплавные пластины устанавливают в качестве катода у выходного отверстия полого анода и начинают, при включении спектрометра, процесс контроля на содержание кислорода. Процесс определения концентрации кислорода на поверхности и в приповерхностной области на основании измерения интенсивности характеристической линии в оптическом спектре тлеющего разряда определяли с помощью атомно-эмиссионного спектрометра GD-Profiler-2 фирмы HORIBA. Точность появления регистрируемых интенсивностей характеристических линий кислорода в спектре составляет ±0,01 В. Время горения тлеющего разряда, устанавливается постоянным и составляет для контроля каждой пластины 180 с.

В процессе контроля по определению содержания кислорода на поверхности и в приповерхностной области, при установленной длительности тлеющего разряда 180 с (глубина ориентировочно составляла 100-150 мкм) получали графики зависимости «интенсивность появления характеристических линий кислорода в спектре тлеющего разряда в вольтах - время горения тлеющего разряда в секундах». Графики типовых зависимостей представлены на фиг. 2. С помощью стандартной компьютерной программы, одновременно, определяли площадь под каждой графической зависимостью, получаемой для каждой конкретной режущей пластины и характеризующей интегральное, относительное содержание кислорода на поверхности и в приповерхностной области в течение 180 с горения тлеющего разряда. Это время соответствует ориентировочно распространению кратера (действия плазмы) на глубину до 100-150 мкм. Площадь S, характеризующая относительное интегральное содержание кислорода по глубине сканирования измерялась произведением (Вольт × с) - (В·с). Для первой партии режущих пластин получили следующие данные по интегральному параметру S_1i (величине площади под конкретной кривой, характеризующей относительное интегральное содержание кислорода на поверхности и в приповерхностной области) для режущих пластин, в порядке, соответственно, с их ранее полученной при испытаниях износостойкостью: 20,8; 21,4; 22,8; 23,7; 25,8; 27,3; 28,5; 29,8; 30,6; 31,8; (В·с). Среднее значение параметра концентрации кислорода на поверхности и в приповерхностной области составило: 26,3 (В·с).

Для второй партии режущих пластин получили следующие данные по параметру S₂i (величине площади под конкретной кривой, характеризующей относительное интегральное содержание кислорода на поверхности и в приповерхностной области) для режущих пластин, в порядке, соответственно также, с их ранее полученной при испытаниях износостойкостью: 15,4; 16,6; 17,4; 19,6; 21,3; 22,6; 23,8; 24,8; 26,4; 27,3 (В·с). Среднее значение параметра концентрации кислорода на поверхности и в приповерхностной области составило: 21,5 (В·с).

На основании полученных ранее результатов по определению износостойкости твердосплавных режущих пластин (Т_мин) и значений параметра, характеризующего содержание кислорода на поверхности и в приповерхностных слоях (S_В·с) строится график зависимости «износостойкость - Т - интегральный параметр концентрации кислорода на поверхности и в приповерхностной области - S».

На фиг. 1 представлена зависимость износостойкости режущих пластин из Т15К6 группы применяемости Р, соответственно, для выборок 1 и 2 при обработки ими углеродистой стали 45 от концентрации аккумулированного их поверхностью и приповерхностной структурой кислорода. Для осуществления прогнозирования износостойкости у твердосплавных режущих пластин в последующей текущей, (изготовленной или полученной) и предназначенной для потребления партии инструментальных образцов, производят испытание только величины концентрации аккумулируемого их поверхностью и приповерхностной областью кислорода. Так, например, при прогнозировании износостойкости у очередной партии твердосплавных режущих пластин группы применяемости Р на атомно-эмиссионном спектрометре GD-Profiler- 2 были получены следующие значения интегрального параметра концентрации кислорода (S) на поверхности и в приповерхностной области для твердосплавных пластин: 20,1; 21,2; 22,4; 22,8; 24,0; 24,6; 25,4; 26,4; 29,0; 29,3 (В·с). Среднее значение из полученных данных составило 24,5 (В·с). В соответствии с вышеприведенными формулами определяют a_Э и b_Э.

а_Э=0,63; b_Э=65,41,

после этого определяют Т_ПТ

Т_ПТ=50,00 мин.

Таким образом, прогнозируемая средняя износостойкость у текущей партии твердосплавных режущих пластин составила 50,00 мин.

Контрольные испытания износостойкости в процессе резания на металлорежущем станке показали следующие результаты по износостойкости: 53,6; 53,0; 52,5; 52,0; 51,2; 51,6; 50,2; 49,4; 48,4; 48,2 мин. Среднее значение составило 51,00 мин.

При осуществлении прогнозирования износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, проводимых на металлорежущих станках. Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной корреляционной связи между способностью твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р аккумулировать в своей структуре кислород и их износостойкостью при резании материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. Степень корреляционной связи между концентрацией кислорода, содержащегося в структуре твердосплавных группы применяемости Р режущих инструментов и их износостойкостью составила r=0,90. Степень корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих пластин в соответствии с прототипом составила r=0,78. При сравнении данных прогноза износостойкости, полученных в соответствии с прототипом, по предлагаемому способу, а также в результате контрольных экспериментальных исследований износостойкости, выполненных в процессе резания углеродистой стали 45, выявлено, что результаты, полученные в соответствии с прототипом, отличаются от контрольных испытаний на 15-20%, в то время как результаты, полученные по предлагаемому способу, отличаются лишь на 5-10%.

Таким образом, предлагаемый способ контроля - прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов может быть использован с достаточно высокой экономической эффективностью на предприятиях, изготавливающих или потребляющих твердосплавную продукцию.

Способ прогнозирования износостойкости твердосплавных группы применяемости P режущих инструментов (режущих пластин) по выбранному исходному параметру, включающий проведение испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной и приповерхностной структуры, сформированной в процессе изготовления твердосплавного режущего материала, проведение эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ при оптимальной или близкой к ней скорости резания, построение эталонной - корреляционной зависимости «износостойкость - исходный параметр», статистический контроль только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов на основании зависимости

где a_Э и b_Э - постоянные коэффициенты:

из них:
Т_ПТ - текущая износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов, подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;
S_ПТ - текущее значение выбранного исходного параметра, полученное при контроле поверхностной и приповерхностной структуры твердосплавных режущих инструментов из текущей - прогнозируемой партии твердосплавной продукции;
Тэ₁ и Тэ₂ - износостойкость в минутах для двух независимых выборок сменных твердосплавных режущих инструментов из эталонной (предыдущей) партии твердосплавной продукции;
Sэ₁ и Sэ₂ - средние значения величин выбранного исходного параметра, полученные при контроле поверхностной и приповерхностной структуры для двух выборок образцов твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии продукции, отличающийся тем, что с целью повышения точности прогнозирования износостойкости в качестве исходного параметра используют величину концентрации кислорода, содержащегося в поверхностной и в приповерхностной структуре твердого сплава, с уменьшением которой износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р возрастает.