RU2014958C1 - Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама - Google Patents
Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама Download PDFInfo
- Publication number
- RU2014958C1 RU2014958C1 SU5034998A RU2014958C1 RU 2014958 C1 RU2014958 C1 RU 2014958C1 SU 5034998 A SU5034998 A SU 5034998A RU 2014958 C1 RU2014958 C1 RU 2014958C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tungsten carbide
- temperature
- tool
- carbide
- implantation
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Сущность изобретения: инструмент подвергают обработке ионами инертных газов в плазме тлеющего разряда, 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=9·1021-5,4·1022 см-2 . 1 табл.
Description
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 500-1400оС 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 Кс 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 Кс 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 Тmax = 0,32 Тпл. карбида вольфрама Тmin = 0,2 Тпл. карбида вольфрама со скоростью охлаждения от 5оС/мин до 38оС/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 Тmax = 0,32 Тпл. (WC) = 900оС, т.к. выше этой температуры радиационные дефекты, образовавшиеся в процессе имплантации, отжигаются, развиваются в процессе возврата, сплав разупрочняется. Минимальная температура 0,2 Тпл. (600оС) 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 ≅5оС/мин эффект не наблюдается. При градиенте температур 40оС/мин часть образцов (15%) проявляет склонность к трещинообразованию. Максимальный эффект был получен при gradT = 38оС/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 ρ= 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 5оС/мин до 38оС/мин, доза облучения D = (9 ˙1021 - 5,4˙ 1022) см-2.
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 5оС/мин до 38оС/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
Kc L= , где Lтр.имп. - путь трения имплантированного инструмента,
Lтр.исх. - путь трения исходного инструмента.
Kc L= , где Lтр.имп. - путь трения имплантированного инструмента,
Lтр.исх. - путь трения исходного инструмента.
Анализ таблицы показывает, что при термоциклировании, когда Tmin < 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 Tmax > 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 5оС/мин увеличение стойкости невелико при скорости меньшей, чем 5оС/мин, увеличения стойкости не наблюдается. При скорости нагрева и охлаждения 40оС/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.
Claims (1)
- 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 = 9·1021 - 5,4 · 1022 см-2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5034998 RU2014958C1 (ru) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5034998 RU2014958C1 (ru) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014958C1 true RU2014958C1 (ru) | 1994-06-30 |
Family
ID=21600678
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5034998 RU2014958C1 (ru) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2014958C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2707673C1 (ru) * | 2019-07-11 | 2019-11-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет | Способ формирования покрытия из кубического карбида вольфрама |
-
1992
- 1992-03-31 RU SU5034998 patent/RU2014958C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 1026964, кл.B 22F 3/24, 1983. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2707673C1 (ru) * | 2019-07-11 | 2019-11-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет | Способ формирования покрытия из кубического карбида вольфрама |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rej et al. | Materials processing with intense pulsed ion beams | |
KR910001359B1 (ko) | 다이아몬드의 합성방법 및 장치 | |
AU2005219596A1 (en) | Device and method for nitriding by ionic implantation of an aluminium alloy part | |
RU2014958C1 (ru) | Способ упрочнения твердосплавного режущего инструмента на основе карбида вольфрама | |
Filius et al. | The retention of Ar in low energy high fluence Ar-irradiated Mo and Si | |
JPS61278146A (ja) | 光処理方法 | |
Nam et al. | A study on plasma-assisted bonding of steels | |
JPS58181864A (ja) | 表面処理方法 | |
Straede | Practical applications of ion implantation for tribological modification of surfaces | |
KR20010040444A (ko) | 이온 주입된 실리콘의 급속 열 처리(rtp) 방법 | |
JPH036219B2 (ru) | ||
Chengzhou et al. | Metallic ion implantation by using a MEVVA ion source | |
Moncoffre et al. | Redistribution of nitrogen implanted into iron: role of carbon and radiation defects | |
Perry et al. | An overview of some advanced surface technology in Russia | |
Romanov et al. | High-power pulsed ion beam modification of the surface properties of alumina ceramics | |
SU1346418A1 (ru) | Способ изготовлени алмазного инструмента | |
Al-Tamimi et al. | Metallic glass formation by ion implantation into nickel | |
SE453468B (sv) | Skerverktyg forsedd med en slitbestendig beleggning samt forfarande for framstellning derav | |
JPH0130796B2 (ru) | ||
RU2168551C2 (ru) | Способ обработки деталей | |
Ovchinnikov et al. | Analysis of changes in the structural state of the VD1 alloy (Al-Cu-Mg-Mn) under the effect of ion irradiation (Ar+, E= 40 keV) using transmission electron microscopy | |
SU1700071A1 (ru) | Способ восстановлени металла из рудного концентрата | |
Chernikov et al. | Microstructure and some properties of boron modified graphite USB-15 | |
RU2061788C1 (ru) | Способ нанесения покрытий в вакууме | |
Vepřek et al. | Damage of the first wall in a plasma simulator and in the TCA tokamak: Implications for theoretical models of hydrogen recycling |