способ оценки свойств инструментальных материалов

Формула изобретения

1. Способ оценки свойств инструментальных материалов, включающий в себя нагружение образца индентором, относительное перемещение образца и индентора по исследуемой поверхности, оценку степени повреждения поверхности образца в зоне следа скрайбирования, отличающийся тем, что выполняют серию перемещений, образец поворачивают в плоскости исследуемой поверхности на угол, вновь выполняют серию перемещений с образованием сетки следов скрайбирования, а о свойствах материала судят по площади разрушения поверхности в ячейках сетки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что о свойствах материала судят по расстоянию между следами перемещений из условия: чем меньше расстояние при равной площади разрушения, тем выше сопротивляемость материала разрушению.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к механическим испытаниям материалов и может быть использовано для оценки свойств инструментальных материалов, в том числе с износостойкими покрытиями.

Известно (Мокрицкий В.Я., Федеев В.С., Паладин Н.М. и др. Микромеханические испытания режущих инструментов. /Информационный листок N 313-83 Хабаровского ЦНТИ, 1983 г.) решение, в котором микрохрупкость и сопротивление инструментального материала разрушению оценивают посредством осуществления скрайбирования (нанесение царапины алмазной пирамидой) и замером параметров трещины и зоны повреждаемости инструментального материала. Недостатком решения является относительно невысокая корреляция между оцениваемыми параметрами и результатами стойкостных испытаний инструмента.

Наиболее близким, по мнению заявителя, по технической сущности является решение (Майстренко А.П., Дуб С.Н. Прогнозирование износостойких хрупких материалов по твердости и трещиностойкости. Заводская лаборатория, N 2, 1991, с. 52-54), в котором на поверхности образца методом скрайбирования выполняют царапины при различной величине нагрузки, измеряют параметры царапины (трещины) и по известным расчетным зависимостям определяют износостойкость, как функцию твердости и трещиностойкости инструментального материала. Недостатком решения является большая трудоемкость расчетной части и относительно невысокая достоверность оценки свойств инструментального материала в силу того, что расчеты выполняются по зависимостям, полученным эмпирическим путем и, соответственно, обладающим значительными погрешностями.

Задачей заявляемого изобретения является создание простого экспресс-способа, позволяющего оперативно и достаточно достоверно оценивать отдельные свойства инструментального материала, имеющие корреляционную связь с износостойкостью и работоспособностью.

Технический результат, достигаемый в процессе поставленной задачи, заключается в повышении информативности и достоверности заявляемого способа, обеспечиваемом при скрайбировании образца такой характер разрушения (повреждаемости) поверхности, который наиболее характерен для реальных условий эксплуатации инструмента (см. рис. 2.1. в работе: Кабалдин Ю.Г., Мокрицкий В. Я., Семашко Н.А., Тараев С.П. Современные методы конструирования, контроля качества и прогнозирования работоспособности режущего инструмента. - Владивосток, изд-во ДВГТУ, 1990 - 124 с.). Такой характер нагружения испытываемого инструментального материала осуществляют перемещением индентора (или образца) с образованием сетки следов, где именно участки пересечения дают наиболее информативный материал в силу того, что они инициируют процессы хрупкого разрушения, трещинообразования и отслаивания.

Таким образом, заявляемый объект, как и прототип, включает в себя нагружение образца индентором, относительное перемещение образца и индентора по исследуемой поверхности, оценку степени повреждения поверхности образца в зоне следа скрайбирования, отличающийся тем, что выполняют серию перемещений, образец поворачивают в плоскости исследуемой поверхности на угол, вновь выполняют серию перемещений с образованием сетки следов скрайбирования, а о свойствах материала судят по площади разрушения поверхности в ячейках сетки. О свойствах материала судят по расстоянию между следами перемещений из условия, чем меньше расстояние при равной площади разрушения, тем выше сопротивляемость материала разрушению.

На фиг. 1 приведена схема нагружения образца с прямоугольной сеткой; на фиг. 2 - с ромбовидной сеткой.

Обоснование способа основано на положении: эксплуатационные свойства инструментального материала, склонного в разрушению трещинообразованием, тем выше, чем меньше повреждаемость выкрошиванием микрообъемов его поверхностных слоев. Это положение справедливо в том числе и для материалов с износостойкими покрытиями. Эксплуатация инструмента (особенно при прерывистом резании) связана с образованием сетки микротрещин в результате силового и термического воздействия.

Следовательно, и оценка свойств материалов без осуществления процесса резания может быть основана при создании на образце сетки повреждений, что наиболее просто реализуется скрайбированием. Чем выше прочность, трещиностойкость и прочность сцепления у материала, тем меньшая площадь поверхности выкрошится при скрайбировании. Информацию о выкрошивании можно получить в результате одного (или нескольких) перемещений (скрайбировании), но инициировать выкрошивание можно при перемещении индентора по концентраторам, роль которых могут выполнять следы предшествующих перемещений. Следовательно, информативность и достоверность экспрессных испытаний можно обеспечить при испытаниях образца с образованием сетки следов перемещений индентора. Тогда работа разрушения материала будет соответствовать площади разрушения при равном размере ячеек сетки, либо будет соответствовать размеру ячеек сетки при равной площади разрушения.

Пример 1 реализации способа.

Брали пластины 1 из твердого сплава ВК8. Для улучшения условий визуального наблюдения результатов скрайбирования рабочую поверхность пластин немного подполировывали. Пластину размещали на специальном устройстве, в образец внедрили индентор и перемещали столик с образцами. Затем столик смещали в перпендикулярном направлении на некоторое расстояние L, вновь осуществляли перемещение, т.е. образовывали ряд следов 2 в виде царапин на поверхности образца Затем стол с образцом поворачивали на некоторый угол и осуществляли перемещение стола. При этом перемещении (след 3) индентор пересекал следы 2 предшествующих нагружений образца и даже при малых нагрузках на индентор в местах пересечений следов наблюдались местные выкрошивания 4 инструментального материала. Затем стол с образцом смещали на некоторое расстояние а₁ и вновь осуществляли перемещение (след 5) индентора. Если расстояние а₁ выбрано достаточно малым (в нашем случае при нагрузке 60 кгС, коническом алмазном инденторе, скорости перемещения примерно 100 мм в минуту расстояние а₁ выбирали 1,5-4 мм), то при этом наблюдалась большая площадь выкрошивания, чем при первом (след 3) нагружении. Так выполняли еще несколько нагружений (со смещением а₁ и измеряли площадь выкрошиваний. В пределах одного образца она сохранялась практически постоянной.

Затем смещали стол с образцом на расстояние а₂<a меньшее, чем в предшествующем случае и вновь осуществляли несколько нагружений. Площадь (позиция 6) выкрошиваемых участков 6 при a₂ больше, чем при a₁. Осуществляли несколько нагружений со смещением a₂ и замеряли площадь выкрошивания. Затем уменьшали a < a₂ < a₁ величину смещения и вновь нагружали образец. Так поступали до тех пор, пока при некоторой величине a₁ смещения площади выкрошивания в ячейках сетки следов не приблизилась к 100%. Затем эти же образцы (сетка следов наносилась на тех участках пластинок, которые при резании не взаимодействуют со стружкой, т.е. на фиг. 1 показан фрагмент образца) подвергали испытанию в реальных условиях резания при точении. Результаты сравнительных испытаний 10 образцов приведены в таблице, где в строке 1 обозначено место образца в ряду по убыванию свойств образцов при оценке этих свойств по прототипу (образец 7 имеет 1 место, т.е. лучший из 10 образцов). В строке 2 в процентах от общей площади ячеек сетки приведена площадь разрушения при нагружениях образца с некоторой постоянной величиной a_k смещения. Там же в знаменателе указано место для образца в ряду по возрастанию площади (образец 8 имеет меньшую площадь разрушения, следовательно, он лучший по свойствам). В строке 3 приведена величина a_i смещения, при которой на данном образце площадь разрушения превышала 30%. Так же в знаменателе указаны места образцов в ряду возрастания величины смещения (чем при большем расстоянии между следами нагружения выкрошивания та же площадь образца, тем хуже свойства образца). В строке 4 приведена такая же информация, но при значительной (более 80%) площади разрушения образцов. В строке 5 приведены результаты стойкостных испытаний этих образцов при точении, т.е. дан период стойкости до достижения заданного износа. В знаменателе дано место образца в порядке убывания стойкости.

Данные однозначно показывают, что:

1. достоверность оценки (строки 1 и 5) свойств по прототипу недостаточно (см. образцы 9 и 10, 7 и 8 и т.д.);

2. площадь разрушения между следами сетки перемещений при постоянной величине смещения a_k может служить критерием оценки свойств инструментальных материалов;

3. величина смещения между следами нагружений при равной площади разрушения может служить критерием оценки свойств инструментальных материалов.

Пример 2 осуществления способа.

Брали образцы (5 штук) из быстрорежущей инструментальной стали Р6М5 с покрытием из нитрида титана. Подобным же образом проводили испытания. По результатам испытаний получены выводы, аналогичные приведенным в примере 1.

Пример 3 осуществления способа.

Аналогичен примерам 1 и 2, но для интенсификации процесса разрушения инструментального материала произведена оптимизация угла пересечения следов нагружения образца, т.е. оптимизация формы ячеек сетки пересечений следов перемещений. Так оказалось, что наиболее интенсивно процесс разрушения поверхностных слоев инструментального материала и особенно его покрытия происходит при угле пересечения, равным 90^o, фиг. 1, либо при угле, образующем ячейку сетки в форме ромба. Очевидно, при этих условиях явления, способствующие отслоению и скалыванию поверхностных слоев, проявляются в наиболее полной форме.

В сравнение с базовым объектом (им принят аналог по информационному листку N 313-83 Хабаровского ЦНТИ) заявляемый способ позволяет на 20-40% повысить достоверность оценки таких свойств материалов, как микрохрупкость, трещиностойкость, прочность сцепления покрытия с основой.