способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама

Формула изобретения

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА, включающий имплантацию ионов в поверхность инструмента в плазме тлеющего разряда и его термообработку, отличающийся тем, что имплантацию ведут ионами инертных газов одновременно с термообработкой в режиме термоциклирования в интервале температур от 0,2 до 0,3 температуры плавления карбида вольфрама со скоростью изменения температуры 5 - 38 град/мин, при этом доза облучения составляет D = 910²¹ - 5,4 10²² см^-2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, металлообработки, в частности к изготовлению режущего инструмента и деталей машин, работающих в условиях трения.

Известны способы повышения износостойкости инструмента имплантацией ионов.

Применение этих способов требует чрезвычайно сложного энергоемкого и дорогого оборудования. Недостатком указанных способов является то, что ими нельзя обрабатывать инструмент и детали сложного профиля с пересекающимися поверхностями, время обработки велико.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама. Этот способ включает в себя следующие технологические операции: имплантацию ионов в поверхность инструмента в плазме тлеющего разряда при 500-1400^оС и его термообработку (крионную обработку в течение 0,07-2 ч).

Предложенный способ включает термообработку в режиме термоциклирования в интервале температур 0,2-0,3, температуры плавления карбида вольфрама.

При температуре Т < 0,2 Т.пл. карбида вольфрама в результате имплантации ионов инертных газов в поверхностных слоях карбидной фазы происходит дробление блоков мозаики. Размеры блоков малы, а протяженность границ блоков велика, при такой субструктуре карбида вольфрама резко интенсифицируется диффузионный износ режущего инструмента, поэтому увеличение стойкости инструмента невелико К_с^L = 1,3-1,6. При увеличении температуры в процессе имплантации от 0,2 Т.пл. до 0,32 Т.пл. карбидов вольфрама размер блоков в карбидной фазе увеличивается за счет развития процессов возврата. Стойкость инструмента возрастает за счет уменьшения диффузионного износа и составляет К_с^L = =1,6-4,8.

Использование предлагаемого способа позволяет увеличить стойкость тредосплавного инструмента на основе карбида вольфрама в 1,4-3,8 раза по сравнению с известным способом и в 1,6-10 раз по сравнению с исходным инструментом.

Целью изобретения является повышение стойкости режущего инструмента за счет уменьшения диффузионного износа.

Поставленная цель достигается тем, что для повышения стойкости и уменьшения диффузионного износа в процессе имплантации инертных газов в плазме тлеющего разряда проводят термоциклирование в интервале температур Т_max = 0,32 Тпл. карбида вольфрама Т_min = 0,2 Тпл. карбида вольфрама со скоростью охлаждения от 5^оС/мин до 38^оС/мин, дозе облучения D =(9 10²¹ - 5,4 10²²)см^-2.

Под термоциклированием понимают периодически повторяющиеся изменения температуры в процессе обработки. Источником нагрева в данном способе является энергия бомбардирующих ионов. Изменение температуры достигается за счет варьирования плотности потока падающих ионов.

Максимальная температура при термоциклировании выбрана Т_max = 0,32 Тпл. (WC) = 900^оС, т.к. выше этой температуры радиационные дефекты, образовавшиеся в процессе имплантации, отжигаются, развиваются в процессе возврата, сплав разупрочняется. Минимальная температура 0,2 Тпл. (600^оС) обусловлена тем, что при охлаждении твердого сплава возникают значительные остаточные напряжения, вызванные отличием в коэффициентах термического расширения различных фазовых составляющих сплава. Высокий уровень остаточных напряжений вызывает разрушение инструмента в процессе эксплуатации.

Выбор дозы определяется температурой и материалом. Экспериментально установлено, что при дозах D < 9 10²¹ см^-2 упрочнение не наблюдается. При дозах D > 5,4 10²² см^-2 и обычно достижимых плотностях тока время обработки велико и в результате термического воздействия сплав в процессе имплантации разупрочняется.

При числе циклов n 10 повышение стойкости инструмента не наблюдается. Структура сплава, микротвердость, а также стойкость инструмента не отличаются от исходных значений.

При числе циклов n > 28 стойкость инструмента более не увеличивается, зато увеличивается время и стоимость обработки.

Кроме того, проведенные эксперименты показали, что при охлаждении и нагревании образцов с градиентом температуры 5^оС/мин эффект не наблюдается. При градиенте температур 40^оС/мин часть образцов (15%) проявляет склонность к трещинообразованию. Максимальный эффект был получен при gradT = 38^оС/мин (табл. 1). Таким образом, продолжительность цикла подбирали так, чтобы при максимальном эффекте используемый градиент температур не приводил к разрушению твердосплавных резцов.

Повышение стойкости происходит за счет упрочнения сплава и уменьшения диффузионного износа.

Рентгеноструктурные исследования показали, что упрочнение достигается за счет модификации субструктуры: высокой плотности дислокаций = 10¹⁰ см^-2 в карбиде вольфрама, причем дислокации сосредоточены внутри блоков, сами блоки крупные D > 150 нм. Размеры блоков больше, чем в исходном состоянии, т. е. при термоциклировании происходит рекристаллизация "на месте". Рекристаллизация "на месте" это далеко зашедшая полигонизация, которая состоит в формировании субзерен, которые достигают значительных размеров (10 мкм). Существуют два механизма укрупнения субзерна при полигонизации: миграция субграниц, и коалесценция субзерен. При этом контролирующим процессом при миграции субзерен является переползание дислокаций, а при коалесценции - объемная диффузия. Оба контролирующих процесса значительно интенсифицируются при повышении температуры, наличии деформации и имплантации (т.к. последняя значительно увеличивает число точечных дефектов). В нашем случае присутствуют все три явления: имплантация происходит при повышенных температурах (500-900)^оС, при термоциклировании из-за большой разницы в термических коэффициентах линейного расширения фазовых составляющих твердого сплава на межфазных границах возникают значительные микронапряжения, способные вызвать пластическую деформацию в микроучастках. Известно, что если деформация происходит при повышенных температурах, то полигонизация ускоряется.

Наряду с ростом блоков под действием градиентов температуры, имплантированных ионов и вакансий, а также вызванных их наличием упругих полей напряжений, в теле блоков появляются дислокации, что и обеспечивает высокую плотность дислокаций внутри блоков.

Повышение плотности дислокаций в карбиде вольфрама по сравнению с исходным материалом, а также повышение микроoтвердителя материала после имплантации на 50% свидетельствует об упрочнении материала.

Поскольку размеры блоков у материала, прошедшего обработку по предлагаемому способу, велики, больше, чем в исходном материале, то уменьшается диффузионный износ режущего инструмента при эксплуатации.

Как уже указывалось, диффузионный износ твердосплавного инструмента зависит от величины блоков в карбиде вольфрама, чем меньше, тем больше протяженность границ блоков, интенсивней протекает диффузионный износ.

Таким образом, при термоциклировании формируется чрезвычайно благоприятная субструктура с высокой плотностью дислокаций внутри блоков и большими блоками в карбиде вольфрама. Наблюдается увеличение стойкости режущих твердосплавных пластин в 1,6-10 раз по сравнению с исходными.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом:

изделие нагревают в вакууме;

проводят очистку ионной бомбардировкой;

в процессе имплантации ионов аргона в плазме тлеющего разряда проводят термоциклирование в интервале температур (0,32-0,2)Тпл. карбида вольфрама со скоростью охлаждения от 5^оС/мин до 38^оС/мин, доза облучения D = (9 10²¹ - 5,4 10²²) см^-2.

Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в процессе имплантации проводят новую технологическую операцию: термоциклирование. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Признаки, отличающие заявленному изобретению, не выявлены при изучении данной области техники и обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

П р и м е р. Неперетачиваемые режущие пластины из сплава Т15К6 обрабатывали в плазме тлеющего разряда в атмосфере аргона по известному и предлагаемому способу. Имплантировали ионы аргона с энергией Е = 400 эВ по режимам, указанным в таблице. О размерах блоков в карбидной фазе сплава судили по результатам рентгенографического анализа стойкостные испытания проводили на токарном станке 1К62, обрабатываемый материал 12ХН9Т, режим резания: число оборотов n = 315 об/мин, подача S = 0,12 мм/об, глубина резания t = 1 мм. В качестве критерия увеличения стойкости в таблице показано значение

K_c^L= , где L_тр.имп. - путь трения имплантированного инструмента,

L_тр.исх. - путь трения исходного инструмента.

Анализ таблицы показывает, что при термоциклировании, когда T_min < 0,2 Тпл. (эксперимент 3) стойкость режущих пластин 1. Такая низкая стойкость вызвана высоким уровнем остаточных напряжений, возникающих из-за различия в значениях коэффициентов термического расширения карбидной и кобальтовой составляющих сплава и уменьшающих работоспособность инструмента.

В эксперименте 11 T_max > 0,32 Тпл. карбида вольфрама в этом случае отжигаются радиационные дефекты, активно протекают процессы возврата, сплав разупрочняется, стойкость также < 1. Результаты экспериментов 8-10 показывают влияние скорости нагрева и охлаждения. Так при скорости нагрева и охлаждении 5^оС/мин увеличение стойкости невелико при скорости меньшей, чем 5^оС/мин, увеличения стойкости не наблюдается. При скорости нагрева и охлаждения 40^оС/мин примерно 15% образцов обнаружены трещины, поэтому использование такого режима обработки нецелесообразно (таблица).

При проведении термоциклирования в интервале температур (0,32-0,2)Тпл. - (900-590)^оС стойкость режущих пластин увеличивается в 1,6-10 раз по сравнению с исходными пластинами. В 12-м эксперименте доза облучения D < 1 10²¹ (D = 9 10²⁰) недостаточна для радиационного упрочнения сплава. А в эксперименте 13 доза велика, сплав разупрочняется в результате термического воздействия.

В экспериментах 14 и 15 показано влияние числа циклов (n) на стойкость имплантированного инструмента, при n < 10 эффект незначителен, при n > 28 нет дополнительного увеличения стойкости.

При имплантации аргона в плазме тлеющего разряда по известному способу наблюдается повышение стойкости в 1,1-2,6 раза. Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет увеличить стойкость твердосплавного режущего инструмента в 1,4-3,8 по сравнению с известным способом.