способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия

Классы МПК:C21D9/22 сверл; фрез; резцов для металлорежущих станков 
B22F3/24 последующая обработка заготовок или изделий 
C21D1/09 непосредственным действием электрической или волновой энергии; облучением частицами
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) (RU),
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)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-06-14
публикация патента:

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.

способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента   или изделия, патент № 2457261 способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента   или изделия, патент № 2457261 способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента   или изделия, патент № 2457261 способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента   или изделия, патент № 2457261 способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента   или изделия, патент № 2457261 способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента   или изделия, патент № 2457261 способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента   или изделия, патент № 2457261

Формула изобретения

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 .

Описание изобретения к патенту

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/см 2 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/см 2 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/см 2 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, патент № 2457261

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2457261

patent-2457261.pdf

Класс C21D9/22 сверл; фрез; резцов для металлорежущих станков 

способ термической обработки штампов и пресс-форм -  патент 2527575 (10.09.2014)
способ подготовки структуры стали к дальнейшей термической обработке -  патент 2526341 (20.08.2014)
способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения (оилу) -  патент 2517632 (27.05.2014)
способ термической обработки режущего инструмента с напаянной твердосплавной пластиной -  патент 2517093 (27.05.2014)
способ изготовления инструментального композиционного материала -  патент 2483123 (27.05.2013)
способ упрочнения наплавленной быстрорежущей стали -  патент 2483120 (27.05.2013)
способ термической обработки бойков и тяжелонагруженных штампов -  патент 2471878 (10.01.2013)
способ повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента методом импульсной лазерной обработки (ило) -  патент 2460811 (10.09.2012)
способ упрочнения разделительного штампа -  патент 2452780 (10.06.2012)
способ азотирования в плазме тлеющего разряда -  патент 2409700 (20.01.2011)

Класс B22F3/24 последующая обработка заготовок или изделий 

способ получения режущего инструмента из карбидсодержащих сплавов вольфрамовой (вк) и титано-вольфрамовой (тк) групп -  патент 2528539 (20.09.2014)
способ стабилизации механических характеристик изделий из твердых сплавов -  патент 2525873 (20.08.2014)
способ улучшения обрабатываемости металлопорошковых сплавов -  патент 2519434 (10.06.2014)
способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения (оилу) -  патент 2517632 (27.05.2014)
способ получения изделий из сложнолегированных порошковых жаропрочных никелевых сплавов -  патент 2516267 (20.05.2014)
способ получения износостойкого антифрикционного самосмазывающегося сплава -  патент 2492964 (20.09.2013)
способ изготовления постоянного магнита и постоянный магнит -  патент 2490745 (20.08.2013)
выполненная с увеличенной вязкостью буровая коронка инструмента для бурения породы и способ увеличения вязкости таких буровых коронок -  патент 2488681 (27.07.2013)
способ термического упрочнения деталей из порошковых материалов на основе железа -  патент 2486030 (27.06.2013)
способ получения деталей газотурбинных двигателей с длительным ресурсом эксплуатации из порошковых никелевых сплавов -  патент 2483835 (10.06.2013)

Класс C21D1/09 непосредственным действием электрической или волновой энергии; облучением частицами

стенд лазерной закалки опорной поверхности игл вращения высокоскоростных центрифуг -  патент 2527979 (10.09.2014)
способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев -  патент 2527511 (10.09.2014)
способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения (оилу) -  патент 2517632 (27.05.2014)
способ производства листовой электротехнической анизотропной стали и листовая электротехническая анизотропная сталь -  патент 2514559 (27.04.2014)
способ формирования износостойкого покрытия деталей -  патент 2510319 (27.03.2014)
лист электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой -  патент 2509813 (20.03.2014)
текстурованный лист электротехнической стали и способ его получения -  патент 2509163 (10.03.2014)
способ улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой -  патент 2501866 (20.12.2013)
способ упрочнения изделий из твердых сплавов -  патент 2501865 (20.12.2013)
способ обработки изделий из высокоуглеродистых легированных сплавов -  патент 2494154 (27.09.2013)
Наверх