RU2131331C1 - Solid material machining apparatus - Google Patents
Solid material machining apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- RU2131331C1 RU2131331C1 RU98111001A RU98111001A RU2131331C1 RU 2131331 C1 RU2131331 C1 RU 2131331C1 RU 98111001 A RU98111001 A RU 98111001A RU 98111001 A RU98111001 A RU 98111001A RU 2131331 C1 RU2131331 C1 RU 2131331C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cobalt
- concentration
- carbide
- sample
- working part
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к холодной и горячей механической обработке металлов, в частности к устройствам, рабочей частью которых является твердосплавный инструмент. The invention relates to the field of mechanical engineering, mainly to cold and hot machining of metals, in particular to devices, the working part of which is carbide tool.
Известно устройство для механической обработки твердых материалов, представляющее собой твердое тело, рабочая часть которого выполнена из твердого сплава на основе карбида титана с железной связкой (карбидостали) [1]. A device for machining solid materials is known, which is a solid body, the working part of which is made of a hard alloy based on titanium carbide with an iron binder (carbide steel) [1].
Известно устройство для механической обработки твердых материалов, представляющее собой твердое тело, рабочая часть которого выполнена из твердого сплава на основе монокарбида вольфрама с никелевой связкой [2]. A device for machining solid materials is known, which is a solid body, the working part of which is made of a hard alloy based on tungsten monocarbide with a nickel binder [2].
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для механической обработки твердых материалов, представляющее собой твердое тело, рабочая часть которого выполнена из твердого сплава на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой [3]. Closest to the claimed device is a device for machining solid materials, which is a solid body, the working part of which is made of a hard alloy based on tungsten monocarbide with a cobalt bond [3].
Недостатками известных устройств являются: износостойкость устройств с рабочей частью состава TiC-Fe ниже, чем у рабочей части устройств состава WC-Co, прочность, твердость и износостойкость устройств с рабочей частью WC-Ni ниже, чем у рабочей части устройств состава WC-Co, распределение кобальта в рабочей части устройств нередко является крайне неоднородным и в приповерхностном слое его содержание ниже, чем в остальном объеме. The disadvantages of the known devices are: the wear resistance of devices with a working part of a composition of TiC-Fe is lower than that of a working part of a device of a composition WC-Co, the strength, hardness and wear resistance of devices with a working part of a WC-Ni is lower than that of a working part of a device of a composition WC-Co, the distribution of cobalt in the working part of the devices is often very heterogeneous and its content in the surface layer is lower than in the rest of the volume.
Целью создания настоящего изобретения является возможность получения "износостойкого покрытия", встроенного в приповерхностный слой рабочей части устройства и позволяющего до шести раз увеличить срок ее службы. The aim of the present invention is the possibility of obtaining a "wear-resistant coating", embedded in the surface layer of the working part of the device and allowing up to six times to increase its service life.
Поставленная цель достигается тем, что ферромагнитная связка - металлический кобальт и твердые растворы на его основе - введена в приповерхностный слой рабочей части тела, причем концентрация металлического кобальта составляет не менее 0,3 массового процента, а толщина слоя - не менее 2,0 мкм. This goal is achieved by the fact that the ferromagnetic binder - metal cobalt and solid solutions based on it - is introduced into the surface layer of the working part of the body, and the concentration of metallic cobalt is at least 0.3 mass percent, and the layer thickness is at least 2.0 μm.
Положительный эффект от создания и использования настоящего изобретения проявляется: в том, что металлический кобальт и твердые растворы на его основе, введенные в приповерхностный слой рабочей твердосплавной части устройства, образуют вместе с карбидами тугоплавких металлов "износостойкое покрытие", обладающее большей по сравнению с остальной рабочей частью пластичностью, в том, что "износостойкое покрытие" обладает идеальной адгезией, так как является приповерхностной областью рабочей части из твердосплавного материала, в том, что указанное расположение металлического кобальта и твердых растворов на его основе в приповерхностной области рабочей твердосплавной части устройства позволяет применить к нему известные методы радиационной обработки, в несколько раз увеличивающие срок службы устройства. The positive effect of the creation and use of the present invention is manifested in the fact that cobalt metal and solid solutions based on it, introduced into the surface layer of the working hard-alloy part of the device, form, together with the carbides of refractory metals, a "wear-resistant coating", which has a larger compared to the rest of the working partly ductility, in that the "wear-resistant coating" has perfect adhesion, as it is a near-surface area of the working part of carbide material, in that The indicated arrangement of metallic cobalt and solid solutions based on it in the near-surface region of the working carbide part of the device allows the application of known methods of radiation treatment to it, which increase the service life of the device several times.
Перечень графических изображений. The list of graphic images.
Фиг. 1 - профиль распределения по глубине концентрации кобальта в режущей пластине из твердого сплава T15KG (образец N 1); фиг. 2 - профиль распределения по глубине концентрации кобальта в режущей пластине из твердого сплава T15KG (образец N 2); фиг. 3 - профиль распределения по глубине концентрации кобальта в режущей пластине из твердого сплава ВК3М (образец N 3). Время распыления tр = 7 мин 21 с; фиг. 4 - профиль распределения по глубине концентрации кобальта в режущей пластине из твердого сплава (образец N 3). Время распыления tр = 23 мин 34 с.FIG. 1 is a depth distribution profile of cobalt concentration in a T15KG carbide cutting insert (sample No. 1); FIG. 2 is a depth distribution profile of cobalt concentration in a T15KG carbide insert (sample No. 2); FIG. 3 - distribution profile of the depth of cobalt concentration in a cutting plate of VK3M carbide (sample N 3). Spraying time t p = 7 min 21 s; FIG. 4 is a depth distribution profile of cobalt concentration in a carbide cutting insert (sample No. 3). Spray time t p = 23 min 34 s.
Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием. The essence of the claimed invention is illustrated by the following description.
Изобретение основано на анализе результатов многочисленных экспериментов по радиационному упрочнению твердосплавного инструмента, проведенных нами в последние годы. Суть их кратко сводится к следующему: радиационная обработка (облучение быстрыми электронами, протонами, α-частицами или γ-квантами) увеличивает в несколько раз износостойкость и срок службы твердосплавных изделий лишь в том случае, когда метод рентгеноструктурного анализа (рентгеновской дифрактометрии) регистрирует фазу металлического кобальта в приповерхностном слое изделия. Из этого факта непосредственно следует заключение о глубине приповерхностного слоя, а в сочетании с другими методами анализа из него можно получить сведения о величине пороговой концентрации кобальта. The invention is based on an analysis of the results of numerous experiments on radiation hardening of carbide tools that we conducted in recent years. Their essence briefly boils down to the following: radiation treatment (irradiation with fast electrons, protons, α-particles or γ-quanta) increases the wear resistance and service life of carbide products several times only when the method of X-ray diffraction analysis (X-ray diffractometry) records the phase of the metal cobalt in the surface layer of the product. This conclusion directly implies the conclusion about the depth of the surface layer, and in combination with other methods of analysis, information on the value of the threshold concentration of cobalt can be obtained from it.
а) Толщина приповерхностного слоя
При исследованиях фазового состава твердосплавных изделий на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой методом рентгеновской дифрактометрии обычно используют излучение Глубину проникновения рентгеновского излучения в твердосплавное изделие можно определить, если известны значения массового коэффициента ослабления для компонентов твердого сплава. Массовый коэффициент ослабления твердосплавного изделия можно в общем случае определить по формуле [4]
где μ, μi - линейные коэффициенты ослабления рентгеновского излучения в материале изделия и в его компонентах соответственно;
ρ, ρi - плотности материала изделия и его компонентов;
ai - весовая доля компонента.a) the thickness of the surface layer
When studying the phase composition of carbide products based on tungsten monocarbide with a cobalt bond, X-ray diffractometry usually uses radiation The depth of penetration of x-rays into the carbide product can be determined if the values of the mass attenuation coefficient for the components of the hard alloy are known. The mass attenuation coefficient of the carbide product can in general be determined by the formula [4]
where μ, μ i are the linear attenuation coefficients of x-ray radiation in the material of the product and in its components, respectively;
ρ, ρ i - the density of the material of the product and its components;
a i is the weight fraction of the component.
Из формулы (1) следует, что для твердых сплавов различного состава отношение μ/ρ принимает различные значения. Во 2-м столбце таблицы 1 приведены значения μ/ρ, рассчитанные по формуле (1) для некоторых марок твердых сплавов. При этом значения μi/ρi были взяты из таблицы монографии [4] и проверены по таблицам Ионссона [5] и номограмме, приведенной в [5] с учетом скачков поглощения SK и , причем получено хорошее совпадение результатов.From formula (1) it follows that for hard alloys of various compositions the ratio μ / ρ takes different values. The 2nd column of Table 1 shows the μ / ρ values calculated by formula (1) for some grades of hard alloys. The values of μ i / ρ i were taken from the table of the monograph [4] and checked according to the Ionsson tables [5] and the nomogram given in [5] with allowance for the absorption jumps S K and and moreover, a good agreement of the results is obtained.
Для определения величин μ для твердых сплавов различного состава необходимо также знание величины ρ - плотности каждого твердого сплава. Взятые из ГОСТ 3882-74 и усредненные нами значения ρ приведены в 3-м столбце табл. 1 (см. табл. 1, 2 в конце описания). В 4-м столбце табл. 1 представлены значения линейных коэффициентов ослабления для некоторых твердых сплавов. To determine the values of μ for hard alloys of various compositions, it is also necessary to know the value of ρ - the density of each hard alloy. Taken from GOST 3882-74 and averaged by us ρ values are given in the 3rd column of the table. 1 (see table. 1, 2 at the end of the description). In the 4th column of the table. 1 shows the values of linear attenuation coefficients for some hard alloys.
При исследованиях фазового состава методом рентгеновской дифрактометрии глубину слоя, участвующего в образовании дифракционной картины, обычно подсчитывают по формуле [4]. In studies of the phase composition by x-ray diffractometry, the depth of the layer involved in the formation of the diffraction pattern is usually calculated by the formula [4].
где ϑ - угол между плоскостью падения и направлением падения рентгеновских лучей на нее;
Kx - коэффициент, значения которого приведены в монографии [4] для различных значений gx - части интенсивности рентгеновского излучения, рассеянного в слое толщиной x.
where ϑ is the angle between the plane of incidence and the direction of incidence of x-rays on it;
K x is the coefficient, the values of which are given in the monograph [4] for various values of g x - part of the intensity of x-ray radiation scattered in a layer of thickness x.
Так, для gx = 0,50 Kx = 0,69; для gx = 0,60 Kx = 0,92; для gx =0,70 Kx = 1,20; для gx = 0,80 Kx = 1,61; для gx = 0,90 Kx = 2,3; для gx = 0,95 Kx = 3,0; для gx = 0,97 Kx = 3,5; для gx = 0,99 Kx = 4,6
В нашем случае при наблюдении кобальта в твердых сплавах угол ϑ ≅ 28o и sinϑ = 0,4695. В табл. 2 приведены значения x, рассчитанные по формуле (2) для некоторых значений gx для различных твердых сплавов.So, for g x = 0.50 K x = 0.69; for g x = 0.60 K x = 0.92; for g x = 0.70 K x = 1.20; for g x = 0.80 K x = 1.61; for g x = 0.90 K x = 2.3; for g x = 0.95 K x = 3.0; for g x = 0.97 K x = 3.5; for g x = 0.99 K x = 4.6
In our case, when observing cobalt in hard alloys, the angle is ϑ ≅ 28 o and sinϑ = 0.4695. In the table. Figure 2 shows the x values calculated by formula (2) for some g x values for various hard alloys.
Основные эксперименты, результаты которых изложены частично ниже, проведены с режущими пластинками, изготовленными из твердых сплавов ВК3М, ВК8, Т15К6, МС 111, МС 321. Для gx = 0,90 величина x изменяется в них от 2,20 мкм до 3,26 мкм, для gx = 0,95 - от 2,86 мкм до 4,24 мкм. В связи с тем, что, во-первых, величина gx для конкретного опыта известна весьма приближенно и, во-вторых, при дальнейшем уменьшении содержания кобальта в твердом сплаве величина x будет уменьшаться, в качестве пороговых значений выберем для WC gx = 0,90 и μWC = 2600 см-1 (x = 2,08 мкм). С точностью до 0,08 мкм, т.е. 3,8% последнюю величину выбираем равной 2,0 мкм.The main experiments, the results of which are partially described below, were carried out with cutting inserts made of hard alloys VK3M, VK8, T15K6,
б) Концентрация кобальта
Определить ту концентрацию металлического кобальта, начиная с которой метод рентгеновской дифрактометрии перестает его различать, можно на основании специально поставленных опытов. Приводимое ниже описание некоторых экспериментов дает только грубую оценку анализируемого порога.b) The concentration of cobalt
It is possible to determine the concentration of metallic cobalt, starting with which the X-ray diffractometry method does not distinguish it, based on specially set experiments. The description of some experiments below gives only a rough estimate of the analyzed threshold.
На двух режущих пластинах из твердого сплава Т15К6 определяли содержание кобальта в приповерхностном слое методом рентгеновской дифрактометрии. На одной из пластин (N 1) кобальт был обнаружен, на другой (N 2) нет. Затем на шлифовальном станке приповерхностный слой был удален на обоих образцах. В глубине пластин металлический кобальт наблюдался методом рентгеновской дифрактометрии на обеих пластинах и его концентрация составила приблизительно одинаковую величину. До начала указанных экспериментов содержание (интегральное) металлического кобальта в обеих пластинах было определено независимым методом - магнитными измерениями - и составило в образце N 1 5,21 мас. %, в образце N 2 5,17 мас.%. Таким образом, в этой серии опытов метод рентгеновской дифрактометрии уверенно регистрировал концентрацию металлического кобальта в приповерхностном слое, составляющую не менее 5,17 мас. %, и "не замечал" кобальт с концентрацией, которая будет оценена нами ниже. On two T15K6 carbide cutting inserts, the cobalt content in the surface layer was determined by X-ray diffractometry. Cobalt was detected on one of the plates (N 1), but not on the other (N 2). Then, on the grinding machine, the surface layer was removed on both samples. In the depths of the plates, cobalt metal was observed by X-ray diffractometry on both plates and its concentration was approximately the same. Prior to the start of these experiments, the content (integral) of cobalt metal in both plates was determined by an independent method — magnetic measurements — and amounted to 5.21 mass% in sample No. 1. %, in sample N 2 5.17 wt.%. Thus, in this series of experiments, the X-ray diffractometry method confidently recorded the concentration of metallic cobalt in the near-surface layer of at least 5.17 wt. %, and "did not notice" cobalt with a concentration that will be estimated below.
В другой серии опытов применялась иная модель рентгеновского дифрактометра, работавшая в режиме, обеспечивающем несколько большую чувствительность. В этой серии опытов исследовалось содержание металлического кобальта в твердых сплавах различного состава методами магнитных измерений и рентгеновской дифрактометрии. При этом рентгеновский метод уверенно зарегистрировал наличие металлического кобальта на поверхности сплава ВК3М, а магнитные измерения подтвердили, что интегральное содержание металлического кобальта в образце составляет 2,99 мас.%. In another series of experiments, a different model of the X-ray diffractometer was used, operating in a mode that provided somewhat greater sensitivity. In this series of experiments, the content of metallic cobalt in hard alloys of various compositions was studied by magnetic measurements and X-ray diffractometry. In this case, the X-ray method confidently detected the presence of cobalt metal on the surface of the VK3M alloy, and magnetic measurements confirmed that the integral content of cobalt metal in the sample was 2.99 wt.%.
Однако содержание кобальта в приповерхностном слое твердосплавного изделия, регистрируемое рентгеновским дифрактометром, вовсе не равно в точности его содержанию в объеме, равному в случае сплава ВК3М приблизительно 3 мас. %. В действительности содержание кобальта в приповерхностном слое твердосплавного изделия ниже, чем в объеме. Меньшее содержание кобальта в этом слое связано с испарением кобальта с поверхности изделия в процессе его спекания. However, the cobalt content in the surface layer of the carbide product recorded by the X-ray diffractometer is not at all equal in accuracy to its content in the volume, which is equal to approximately 3 wt.% In the case of VK3M alloy. % In fact, the cobalt content in the surface layer of the carbide product is lower than in volume. The lower cobalt content in this layer is associated with the evaporation of cobalt from the surface of the product during its sintering.
Для оценки убыли кобальта с поверхности изделия можно было бы провести расчет по формуле, приведенной в монографии [6] дающей количество частиц, испаряющихся в единицу времени с единицы поверхности материала, и связанной с давлением пара химических элементов [7], зависящего от температуры нагрева. Однако точные временные и температурные режимы и условия (вакуум, водород) спекания нам неизвестны, поэтому мы пойдем другим путем. To estimate the cobalt loss from the surface of the product, one could calculate using the formula given in the monograph [6] giving the number of particles vaporizing per unit time from a unit surface of the material and related to the vapor pressure of chemical elements [7], which depends on the heating temperature. However, the exact time and temperature conditions and conditions (vacuum, hydrogen) of sintering are unknown to us, so we will go a different way.
Для более строгой оценки концентрации кобальта в приповерхностных слоях образцов 1 и 2 обратимся к результатам измерений методом ВИМС (фиг. 1 и 2). Метод ВИМС зарегистрировал резкое (на 3 порядка) падение концентрации кобальта в приповерхностком слое образца N 1 (см. фиг. 1). Точное значение тех глубин, на которых концентрация кобальта в приповерхностных слоях образцов становится равной концентрации кобальта в объеме изделий, нам неизвестно. Поэтому ограничимся ниже приближенными оценками. For a more rigorous assessment of the concentration of cobalt in the surface layers of
Оценим прежде всего толщину приповерхностного слоя, удаленного при исследовании в образцах 1 и 2 профиля кобальта методом ВИМС. При исследовании профилей вольфрама (W), углерода (C), титана (Ti) и кобальта (Co) в твердом сплаве Т15К6 методом ВИМС для распыления использовалась бомбардировка ионами кислорода с энергией 7,9 кэВ. Ионный ток равнялся 144 нА (образец N 1) и 147 нА (образец N 2). Облучалась ионами квадратная площадка со стороной 250 мкм. Анализировалось квадратное поле со стороной 8 мкм. Поэтому плотность ионного тока составляла: j1 = J1/S = 1,44•10-7 А / 6,25•10-4 см2 = 1,44•10-3 / 6,25 А/см2 и j2 = J2/S = 1,47•10-3 / 6,25 А/см2. Эти величины соответствуют определенным количествам ионов кислорода O
и
Ho при облучении ионами кислорода углерода (основного компонента всех карбидов) имеет место так называемое "химическое распыление" [8], для которого коэффициент распыления при E = 7,9 кэВ несколько превышает единицу (S = 1,05 aт.C/O
За время tр удалено NWC молекул WC/см2. Поэтому толщина распыленного слоя d равна
Оценим теперь реальную величину концентрации кобальта, регистрируемую рентгеновским дифрактометром.First of all, let us estimate the thickness of the surface layer removed during the study in
and
Ho when irradiated with carbon oxygen ions (the main component of all carbides), the so-called “chemical sputtering” takes place [8], for which the sputtering coefficient at E = 7.9 keV is slightly greater than unity (S = 1.05 at. C / O
During time t p N WC molecules WC / cm 2 were removed. Therefore, the thickness of the sprayed layer d is
Let us now evaluate the real value of the cobalt concentration recorded by an X-ray diffractometer.
Вид профиля концентрации атомов кобальта, в образце N 1, полученный методом ВИМС, соответствует случаю [9] конечной скорости испарения атомов Co с поверхности. Предположим, что процесс спекания идет так, что плотность атомов Co на поверхности остается постоянной, т.е. диффузия атомов Co к поверхности восполняет убыль атомов Co за счет испарения. Тогда, согласно [9],
где n((x,τ) - концентрация атомов кобальта в приповерхностном слое;
x - расстояние, отсчитываемое от поверхности в глубину слоя;
τ - время испарения;
N - концентрация атомов кобальта в объеме;
D - коэффициент диффузии атомов кобальта;
ν = n(0,τ) = const - концентрация атомов кобальта на поверхности изделия из твердого сплава
где характеристическая длина;
Ф(z) - функция ошибок.The profile of the concentration of cobalt atoms in sample No. 1, obtained by SIMS, corresponds to the case [9] of the final rate of evaporation of Co atoms from the surface. Suppose that the sintering process proceeds so that the density of Co atoms on the surface remains constant, i.e. diffusion of Co atoms to the surface compensates for the loss of Co atoms due to evaporation. Then, according to [9],
where n ((x, τ) is the concentration of cobalt atoms in the surface layer;
x is the distance measured from the surface into the depth of the layer;
τ is the evaporation time;
N is the concentration of cobalt atoms in the volume;
D is the diffusion coefficient of cobalt atoms;
ν = n (0, τ) = const is the concentration of cobalt atoms on the surface of the hard alloy product
Where characteristic length;
Φ (z) is the error function.
Анализируя профиль распределения атомов Co, полученный методом ВИМС, в образце N 1 мы нашли, во-первых, что ν = 2,3•10-3N и, во-вторых, что L = 0,267 мкм, т. е. на этой глубине x z = 1. Поэтому максимальное значение z, совпадающее с глубиной слоя, анализируемого в образце N 1 рентгеновскими лучами, равно Za = 14,1 (см. табл. 2, где Xa = 3,76 мкм для gx = 0,95).Analyzing the distribution profile of Co atoms obtained by the SIMS method, in sample No. 1 we found, firstly, that ν = 2.3 • 10 -3 N and, secondly, that L = 0.267 μm, i.e., on this depth xz = 1. Therefore, the maximum value of z, which coincides with the depth of the layer analyzed in sample No. 1 by X-rays, is Z a = 14.1 (see Table 2, where X a = 3.76 μm for g x = 0 , 95).
Итак, если бы концентрация кобальта вблизи поверхности образца N 1 из твердого сплава Т15К6 и в его объеме совпадали между собой и равнялись бы N = const, то
Заметим, что физический смысл интеграла в (7) - поверхностная концентрация - количество частиц на единицу поверхности с размерностью см-2.So, if the concentration of cobalt near the surface of
Note that the physical meaning of the integral in (7) is the surface concentration - the number of particles per unit surface with a dimension of cm -2 .
В действительности
где Ф*(z) = 1 - Ф(z) (9)
Пользуясь приложением 2 монографии [10], в котором изложены свойства функции ошибок и родственных ей функций, получаем, что
при выбранных значениях Za не зависит от Za с точностью до бесконечно малых высших порядков и равен 0,5642.In fact
where Φ * (z) = 1 - Φ (z) (9)
Using Appendix 2 of the monograph [10], which sets out the properties of the error function and related functions, we obtain
at the chosen values of Z a does not depend on Z a up to infinitely small higher orders and is equal to 0.5642.
Следовательно
Итак, для za = 14,1 интеграл (10) равен 13,537 NL, а отношение
Поэтому мы полагаем, что при исследовании образца N 1, изготовленного из твердого сплава Т15К6, рентгеновским дифрактометром он регистрировал не значение концентрации кобальта в объеме, равное 5,21 мас.%, а меньшую величину, равную 0,961 5,21 = 5,00 мас.%.Hence
So, for z a = 14.1, integral (10) is 13.537 NL, and the ratio
Therefore, we believe that when examining sample No. 1 made of T15K6 hard alloy with an X-ray diffractometer, he recorded not a value of cobalt concentration in the volume equal to 5.21 wt.%, But a smaller value equal to 0.961 5.21 = 5.00 wt. .%.
Оценим теперь концентрацию кобальта, регистрируемую рентгеновским дифрактометром в образце N 2 из твердого сплава Т15К6 (см. фиг. 2). Let us now evaluate the cobalt concentration recorded by an X-ray diffractometer in sample No. 2 from a T15K6 hard alloy (see Fig. 2).
Положим, что в интервале 0,33 мкм - 3,76 мкм, превышающем интервал 0 - 0,33 мкм, исследованный методом ВИМС, величина концентрации кобальта постоянна и равна n0(n0 = 2•104 импульсов/сек в единицах фиг. 2). Данное утверждение отнюдь не беспочвенно, о чем свидетельствуют данные фиг. 4 (см. ниже). Для сравнения с фиг.1 воспользуемся теми же обозначениями: вновь введем величину z, которая равна 1 для длины, равной L = 0,267 мкм. Тогда точке x = 0,33 мкм соответствует z = 1,24, интервалу 0,33 - 3,76 мкм Δz = 14,1-1,24 = 12,86. Поэтому поверхностная концентрация атомов кобальта в интервале Δz равна 12,86•n0L.Let us assume that in the range 0.33 μm – 3.76 μm greater than the
Рассмотрим теперь интервал, исследованный методом ВИМС: x = 0 - 0,33 мкм или z = 0 - 1,24. Аппроксимируем профиль кобальта в этом интервале кусочно-линейной функцией x. В интервале x = 0 - 0,138 мкм (или z = 0 - 0,516) поверхностная концентрация кобальта равна
В интервале x = 0,138 мкм - 0,33 мкм (или z = 0,516 - 1,24) поверхностная концентрация кобальта равна
Итак, поверхностная концентрация кобальта, измеренная рентгеновским дифрактометром в образце N 2, равна:
L(12,86n0 + 1,032n0 + 1,06n0 = 14,952n0L
Выше показано, что эта же величина в образце N 1 равна 13,537 NL. Величина N, рассчитанная нами по профилю фиг. 1, равна N = 1,275•105. Таким образом, отношение
равно
Итак, в этой серии опытов рентгеновский дифрактометр "не замечал" в образце N 2 из твердого сплава Т15К6 концентрацию кобальта, равную
Обратимся теперь к анализу профилей W, C и Cо в образце из твердого сплава ВК3М (фиг. 3 и 4). В данном случае энергия ионов кислорода составляла 8,1 кэВ. Ионный ток равнялся 654 нА (фиг. 3) и 548 нА (фиг. 4). Площади облучаемой ионами и анализируемой поверхностей не изменялись по сравнению с образцами 1 и 2 и равнялись, соответственно 6,25•10-4 см2 и 6,4•10-7 см2. Плотность ионного тока составляла: j3 = 6,54•10-3 /6,25 А/см2 и j4 = 5,48•10-3/6,25 А/см2. Количества ионов O
Положим, как и ранее, что коэффициент распыления составляет S = 1,05 WC/O
In the range x = 0.138 μm - 0.33 μm (or z = 0.516 - 1.24), the surface concentration of cobalt is
So, the surface concentration of cobalt, measured by x-ray diffractometer in sample No. 2, is equal to:
L (12.86n 0 + 1.032n 0 + 1.06n 0 = 14.952n 0 L
It was shown above that the same value in sample No. 1 is 13.537 NL. The value N calculated by us according to the profile of FIG. 1 is equal to N = 1.275 • 10 5 . Thus, the ratio
equally
So, in this series of experiments, the X-ray diffractometer “did not notice” a cobalt concentration equal to T15K6 in sample N 2 from the T15K6 hard alloy
We now turn to the analysis of the profiles of W, C, and Co in a sample of VK3M carbide (Figs. 3 and 4). In this case, the energy of oxygen ions was 8.1 keV. The ion current was 654 nA (Fig. 3) and 548 nA (Fig. 4). The areas irradiated by ions and the analyzed surfaces did not change compared to
Assume, as before, that the atomization coefficient is S = 1.05 WC / O
Толщина распыленного слоя равна
Как видно из фиг. 3 и 4, профили кобальта на них отличаются между собой лишь толщиной распыленного слоя. Рассмотрим далее только более глубокий профиль кобальта, изображенный на фиг. 4. Аппроксимируем реальный ход профиля ломаной линии, для чего разобьем его на 11 участков. Элементарный расчет, который мы не приводим в описании, показывает, что суммарная площадь ограниченная ломаной, осью абсцисс и ординатами, проходящими через начало и конец профиля, составляет
При расчете мы вновь положили, что z = 1 соответствует L = 0,267 мкм, а n0 = 2•104 импульсов/с. Экстраполируя профиль на большую глубину до точки za = 10,7 (xa = 2,86 мкм) и проводя аналогичные расчеты, получаем S12 = 5,875n0L. Итак, для образца 3 поверхностная концентрация равна
Сопоставим теперь концентрации, измеренные рентгеновским дифрактометром, в образцах 2 и 3. Напомним, что в образце 2, S = 14,952n0L для Δz = 14,1. Положим, что для Δz = 10,7
По оси ординат на фиг. 1-4 отложены величины, имеющие размерность - количество импульсов за секунду. Чтобы правильно сопоставлять данные фиг. 2 и фиг. 4, надо отнести их к количеству распыленного вещества за 1 секунду. На фиг. 2 за 1 с распылялось 0,33 мкм : 1019 с = 3,24 а на фиг. 4 1,69 мкм : 1414 с = 11,94 Поэтому одна и та же величина n0 = 2•104 импульсов/с соответствует на фиг. 2 3,24 анализируемого слоя, а на фиг. 4 11,94 Итак, истинная концентрация Co в образце N 3 была в 11,94/3,24 = 3,7 раза меньше, чем в образце N 2. Поэтому величина
мас.%
должна быть уменьшена в 3,7 раза. Она составит 0,344 мас.% ≈ 0,3 мас.%.The thickness of the sprayed layer is
As can be seen from FIG. 3 and 4, the cobalt profiles on them differ only in the thickness of the sprayed layer. Further, we consider only the deeper cobalt profile shown in FIG. 4. We approximate the real course of the broken line profile, for which we divide it into 11 sections. An elementary calculation, which we do not give in the description, shows that the total area bounded by the broken line, abscissa, and ordinates passing through the beginning and end of the profile is
In the calculation, we again assumed that z = 1 corresponds to L = 0.267 μm, and n 0 = 2 • 10 4 pulses / s. Extrapolating the profile to a great depth to the point z a = 10.7 (x a = 2.86 μm) and performing similar calculations, we obtain S 12 = 5.875n 0 L. So, for sample 3, the surface concentration is
Now we compare the concentrations measured by the X-ray diffractometer in samples 2 and 3. Recall that in sample 2, S = 14.952n 0 L for Δz = 14.1. Assume that for Δz = 10.7
The y-axis in FIG. Figures 1–4 show the quantities having the dimension — the number of pulses per second. In order to correctly match the data of FIG. 2 and FIG. 4, it is necessary to attribute them to the amount of atomized substance in 1 second. In FIG. 2 for 1 s sprayed 0.33 μm: 1019 s = 3.24 and in FIG. 4 1.69 μm: 1414 s = 11.94 Therefore, the same value n 0 = 2 • 10 4 pulses / s corresponds to FIG. 2 3.24 the analyzed layer, and in FIG. 4 11.94 So, the true concentration of Co in sample N 3 was 11.94 / 3.24 = 3.7 times less than in sample N 2. Therefore, the value
wt.%
should be reduced by 3.7 times. It will be 0.344 wt.% ≈ 0.3 wt.%.
Итак, концентрация кобальта, зарегистрированная рентгеновским дифрактометром в образце N 3, составляет 0,344 мас.% ≈ 0,3 мас.%. Эта величина и принимается нами в качестве пороговой для достижения положительного эффекта при облучении твердосплавных изделий ионизирующей радиацией. So, the cobalt concentration recorded by an X-ray diffractometer in sample No. 3 is 0.344 wt.% ≈ 0.3 wt.%. This value is taken by us as a threshold for achieving a positive effect when irradiating carbide products with ionizing radiation.
Таким образом, изложенные выше опыты и оценочные расчеты позволяют выбрать в качестве пороговых: концентрацию металлического кобальта не менее 0,3 мас. % и толщину приповерхностного слоя, в котором он расположен, не менее 2,0 мкм. Thus, the above experiments and estimated calculations allow us to choose as threshold: the concentration of metallic cobalt is not less than 0.3 wt. % and the thickness of the surface layer in which it is located, not less than 2.0 microns.
Примеры достижения положительного эффекта - увеличения износостойкости и срока службы рабочих частей резцов - твердосплавных режущих пластин - приводятся ниже. Необходимо подчеркнуть, что рентгеновские исследования содержания металлического кобальта в твердосплавных режущих пластинах, о которых говорится в этих примерах, проводились на том же дифрактометре и в том же режиме, что и исследования содержания кобальта в твердом сплаве ВК3М. Поэтому сделанные выше выводы о пороговой величине концентрации кобальта, определяемой им, полностью применимы и к данным, приводимым в нижеследующих примерах. Examples of achieving a positive effect - increasing the wear resistance and service life of the working parts of the cutters - carbide cutting inserts - are given below. It must be emphasized that X-ray studies of the content of cobalt metal in carbide cutting inserts, referred to in these examples, were carried out on the same diffractometer and in the same mode as the studies of the content of cobalt in the VK3M carbide. Therefore, the above conclusions about the threshold value of the concentration of cobalt, determined by him, are fully applicable to the data presented in the following examples.
Пример 1. Режущие пластины из твердого сплава МС 111, содержащие 9,5 мас. % кобальта и подвергнутые радиационной обработке, исследовали методом рентгеновской дифрактометрии и путем проведения лабораторных испытаний на износостойкость на Московском комбинате твердых сплавов (МКТС) и производственных испытаний на срок службы на Люберецком производственном объединении "Завод им. Ухтомского". Во всех исследовавшихся режущих пластинах рентгеновские измерения регистрировали высокую концентрацию металлического кобальта. Example 1. Cutting inserts made of
Лабораторные испытания проводили на станке 1 М 63 при следующих условиях: обрабатываемый материал - сталь 50, режим резания: скорость резания v = 220 м/мин, подача s = 0,20 мм/об, глубина резания t = 1,0 мм. Максимальное значение коэффициента стойкости после облучения γ-квантами составило 4,5, а после облучения α-частицами - 5,0. Laboratory tests were performed on a 1 M 63 machine under the following conditions: the material to be processed is
Производственные испытания проводили в цехе N 21 на гидрокопировальном станке модели 473-4. Обрабатываемая деталь - КРН03604, материал заготовок - сталь 45Г2. Режим резания: скорость резания v = 70 м/мин, число оборотов n = 400 об/мин, подача s = 0,53 мм/об, глубина резания t = 2,5 мм. Максимальное значение коэффициента стойкости после облучения протонами составило 1,8; после облучения α-частицами - 2,2; после облучения γ-квантами 3,1 - 5,2. Production tests were carried out in workshop No. 21 on a model 473-4 hydrocopy machine. The workpiece is КРН03604, the workpiece material is 45G2 steel. Cutting mode: cutting speed v = 70 m / min, speed n = 400 rpm, feed s = 0.53 mm / rev, cutting depth t = 2.5 mm. The maximum value of the coefficient of resistance after irradiation with protons was 1.8; after irradiation with α-particles - 2.2; after irradiation with γ-rays 3.1 - 5.2.
Пример 2. Режущие пластины из твердого сплава МС 321, содержащие 6 мас.% кобальта и подвергнутые облучению γ - квантами, исследовали методом рентгеновской дифрактометрии и путем проведения производственных испытаний на срок службы на АООТ "ММП им. В.В. Чернышева". Испытания проводили при обработке детали "Щека" N 16110892 из стали 18 х 2Н4А в цехе N 5 на двух операциях. Example 2. Cutting inserts made of
В операции N 020 ("токарная") проводилась проточка подошвы с припуском 2 мм. Испытания проводили на токарном станке с ЧПУ модели SPR 16 NC. Испытывали 4-гранные неперетачиваемые твердосплавные пластины с механическим креплением 2008 - 1865 марки МС 321-1865. Режимы резания: скорость резания v = 229 м/мин, число оборотов n = 900 об/мин, подача s = 0,05 мм/об, глубина резания: на 1 переходе t = 3,5 мм, на 2 переходе t = 2,0 мм, охлаждение - эмульсия. Испытания показали: стойкость пластин без облучения (серийных) составляет 10 - 15 деталей на каждую грань, стойкость пластин после облучения составила 55 - 60 деталей на каждую грань. Итак, минимальное значение коэффициента стойкости равно 3,7; среднее значение - 4,6; максимальное значение - 6,0. In operation N 020 (“turning”), the sole was grooved with an allowance of 2 mm. The tests were performed on a CNC lathe model SPR 16 NC. Tested 4-sided non-rotatable carbide inserts with mechanical fastening 2008 - 1865 grade MS 321-1865. Cutting modes: cutting speed v = 229 m / min, speed n = 900 rpm, feed s = 0.05 mm / rev, cutting depth: at 1 transition t = 3.5 mm, at 2 transition t = 2 , 0 mm, cooling - emulsion. Tests have shown: the resistance of plates without irradiation (serial) is 10 - 15 parts per face, the resistance of plates after irradiation was 55 - 60 parts per face. So, the minimum value of the coefficient of resistance is equal to 3.7; the average value is 4.6; the maximum value is 6.0.
В операции N 025 ("токарная") проводили проточку хвостовика и проточку внутреннего торца щеки. Испытания проводили на токарном станке с ЧПУ модели 16К20 Т1. Испытывали 3-гранные неперетачиваемые твердосплавные пластины с механическим креплением 2008-0388 марки МС 321-261. Режимы резания: скорость резания: на 1 переходе v = 92 м/мин, на 2 переходе v = 189 м/мин; число оборотов: на 1 переходе n = 1400 об/мин, на 2 переходе n = 900 об/мин; подача: на 1 переходе s = 0,2 мм/об, на 2 переходе s = 0,05 мм/об; глубина резания t = 2,5 мм, охлаждение - эмульсия. Испытания показали: стойкость пластин без облучения (серийных) составляет 10 деталей на каждую грань, стойкость пластин после облучения составила 40 деталей на каждую грань. Итак, значение коэффициента стойкости равнялось 4,0. In operation N 025 ("turning"), a groove of the shank and a groove of the inner end of the cheek were performed. The tests were carried out on a CNC lathe model 16K20 T1. We tested 3-sided non-rotatable carbide inserts with mechanical fastening 2008-0388 of the brand MS 321-261. Cutting modes: cutting speed: at 1 transition v = 92 m / min, at 2 transition v = 189 m / min; number of revolutions: at 1 transition n = 1400 rpm, at 2 transition n = 900 rpm; feed: at 1 transition s = 0.2 mm / rev, at 2 transition s = 0.05 mm / rev; cutting depth t = 2.5 mm, cooling - emulsion. Tests have shown: the resistance of plates without irradiation (serial) is 10 parts per face, the resistance of plates after irradiation was 40 parts per face. So, the value of the resistance coefficient was 4.0.
Для подтверждения полученных результатов были проведены в тех же условиях, производственные испытания промышленной партии (по 100 штук) режущих пластин каждого типоразмера. Испытания подтвердили данные, приведенные выше, но выявили новую закономерность. В тех случаях, когда рентгеновские измерения пластин до γ-облучения уверено фиксировали в них наличие металлического кобальта, после γ-облучения стойкость четырехгранных пластин составила до 55 деталей на каждую грань, стойкость трехгранных пластин составила 42 детали на каждую грань. В тех же случаях, когда рентгеновские измерения свидетельствовали об отсутствии металлического кобальта в приповерхностном слое пластин, γ-облучение ухудшало стойкость пластин: она составляла всего 4-5 деталей на каждую грань. Таким образом, показано, что γ-облучению следует подвергать лишь пластины с высоким содержанием металлического кобальта в приповерхностном слое. To confirm the results obtained, production tests of an industrial batch (100 pieces) of cutting inserts of each standard size were carried out under the same conditions. The tests confirmed the data above, but revealed a new pattern. In cases where x-ray measurements of the plates before γ-irradiation confidently detected the presence of cobalt metal in them, after γ-irradiation the resistance of tetrahedral plates amounted to 55 parts per face, the resistance of trihedral plates was 42 parts per face. In the same cases when X-ray measurements indicated the absence of cobalt metal in the surface layer of the plates, γ-radiation worsened the resistance of the plates: it amounted to only 4-5 parts per face. Thus, it was shown that only plates with a high content of metallic cobalt in the near-surface layer should be exposed to γ-radiation.
Устройство изготавливают следующим образом:
1. Плоские рабочие твердосплавные части устройства легируют кобальтом одним из указанных ниже известных методов: методом ионной имплантации с последующей разгонкой стационарным или импульсным фотонным отжигом, методом напыления (например, электронно-лучевого) кобальта в вакууме с последующей разгонкой, методом катодного распыления с последующей разгонкой.The device is made as follows:
1. Flat working carbide parts of the device are alloyed with cobalt using one of the following well-known methods: by ion implantation followed by stationary or pulsed photon annealing, sputtering (for example, electron-beam) cobalt in vacuum, followed by acceleration, cathode sputtering followed by acceleration .
2. Рабочие твердосплавные части устройства сложной формы (не плоские) легируют кобальтом одним из указанных ниже известных методов: методом ионно-плазменного напыления с последующей разгонкой, методом гальванического осаждения с последующей разгонкой. 2. Working carbide parts of a complex shape device (non-flat) are alloyed with cobalt using one of the following known methods: ion-plasma spraying followed by acceleration, galvanic deposition followed by acceleration.
3. Рабочие твердосплавные части устройства любой формы легируют кобальтом также одним из следующих методов, некоторые из которых известны выбором режимов стационарного спекания, импульсным спеканием, нагревом в вакууме спеченного изделия. 3. Working carbide parts of a device of any shape are also alloyed with cobalt using one of the following methods, some of which are known for choosing stationary sintering modes, pulsed sintering, and sintering of a sintered product in vacuum.
Роль металлического кобальта показана выше на примере режущих пластин, изготовленных из твердых сплавов на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой. Однако в связи с тем, что физические и механические свойства кобальта не изменяются в других твердых сплавах и в сочетании с другими ферромагнитными связками (железо, никель), в предлагаемом устройстве можно использовать и эти связки. The role of cobalt metal is shown above by the example of cutting inserts made of hard alloys based on tungsten monocarbide with a cobalt bond. However, due to the fact that the physical and mechanical properties of cobalt do not change in other hard alloys and in combination with other ferromagnetic bonds (iron, nickel), these bonds can also be used in the proposed device.
Источники информации
1. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К. Карбидостали. - М.: Металлургия, 1989. - 25 с.Sources of information
1. Gurevich Yu.G., Narva V.K. Carbide steel. - M .: Metallurgy, 1989 .-- 25 p.
2. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - M.: Металлургия, 1976. - С. 96-113. 2. Tretyakov V.I. Fundamentals of metal science and technology for the production of sintered hard alloys. - M .: Metallurgy, 1976 .-- S. 96-113.
3. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976. - С. 125-205 (прототип). 3. Tretyakov V.I. Fundamentals of metal science and technology for the production of sintered hard alloys. - M .: Metallurgy, 1976. - S. 125-205 (prototype).
4. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. - М.: ГИФМЛ. - 1961. - 84 с. 4. Mirkin L.I. Handbook of X-ray diffraction analysis of polycrystals. - M.: GIFFL. - 1961. - 84 p.
5. Блохин М. А. Физика рентгеновских лучей. - М.: Гостехиздат, 1953. - 456 с. 5. Blokhin M. A. Physics of X-rays. - M.: Gostekhizdat, 1953.- 456 p.
6. Дэшмен С. Научные основы вакуумной техники. - М.: ИЛ, 1950. - 696 с. 6. Dashman S. Scientific foundations of vacuum technology. - M.: IL, 1950 .-- 696 p.
7. Несмеянов А. Н. Давление пара химических элементов.- М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 396 с. 7. Nesmeyanov A. N. The vapor pressure of chemical elements. - M.: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1961. - 396 p.
8. Рот И. Химическое распыление// Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. II. - М.: Мир, 1986. - С. 134-204. 8. Mouth I. Chemical spraying // Spraying solids by ion bombardment. Vol. II. - M .: Mir, 1986. - S. 134-204.
9. Влияние испарения летучего компонента на электрические свойства CdSb / Л.И. Анатычук, В.М. Кондратенко, О.Я. Лусте, И.Т. Хавруняк // Неорганические материалы. - 1972. - Т. VIII, N 4. - С. 653-658. 9. The effect of evaporation of a volatile component on the electrical properties of CdSb / L.I. Anatychuk, V.M. Kondratenko, O.Ya. Luste, I.T. Havrunyak // Inorganic materials. - 1972. - T. VIII, N 4. - S. 653-658.
10. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел.- М.: Наука, 1964. - 488 с. 10. Karslow G., Jaeger D. Thermal conductivity of solids. - M.: Nauka, 1964. - 488 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98111001A RU2131331C1 (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Solid material machining apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98111001A RU2131331C1 (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Solid material machining apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2131331C1 true RU2131331C1 (en) | 1999-06-10 |
Family
ID=20207052
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98111001A RU2131331C1 (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Solid material machining apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2131331C1 (en) |
-
1998
- 1998-06-04 RU RU98111001A patent/RU2131331C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976, с. 125 - 205. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Pippel et al. | Micromechanisms of metal dusting on Fe‐base and Ni‐base alloys | |
Singer | Surface analysis, ion implantation and tribological processes affecting steels | |
JP6898450B2 (en) | Cutting tools | |
Sidashov et al. | Study of the phase composition and tribological properties of carbon tool steels after laser surface hardening by quasi-CW fiber laser | |
Kellner et al. | TEM and ToF-SIMS studies on the corrosion behavior of vanadium and chromium containing WC–Co hard metals in alkaline solutions | |
Pogrebnjak et al. | Effect of the high doze of N+(10 18 cm–2) ions implantation into the (TiHfZrVNbTa) N nanostructured coating on its microstructure, elemental and phase compositions, and physico-mechanical properties | |
Denkena et al. | Influence of pulsed laser ablation on the surface integrity of PCBN cutting tool materials | |
RU2131331C1 (en) | Solid material machining apparatus | |
Lipatov | Reactive diffusion in cutting high-alloy steel by means of a hard-alloy tool | |
Grant et al. | Ion beam techniques for material modification | |
Hutchings | A review of recent developments in ion implantation for metallurgical application | |
Nastasi et al. | Materials science issues of plasma source ion implantation | |
Komarov et al. | Influence of conditions employed in application of Ti–Zr–Si–N nanostructured coatings on their composition, structure, and tribomechanical properties | |
Sanabria et al. | Performance in saline environment of a carbon steel surface modified by three-dimensional ion implantation | |
RU7917U1 (en) | DEVICE FOR MECHANICAL PROCESSING OF SOLID MATERIALS | |
Bushueva et al. | Influence of chromium concentration on corrosion resistance of surface layers of stainless steel | |
Sidashov et al. | Investigation of changes in the properties of diamond-like films under friction by the XPS method | |
Sproul et al. | Some aspects of a sputtered interfacial eta-carbide layer and its effect on a TiC-coated WC-Co cemented carbide | |
Fedorov et al. | Refractory phases synthesis at the surface microalloying using a wide aperture electron beam | |
Nosenko et al. | Surface-layer composition of titanium alloy after dry grinding by a silicon-carbide wheel | |
Popova et al. | Effect of electrolytic-plasma nitrocarburizing on the structural and phase state of ferrite-pearlitic steels | |
Kozakov et al. | Composition of an oxide layer formed by laser radiation and the structure of an oxide-metal interface on the surface of 9XC and P6M5 tool steels according to XPS | |
Fedorov et al. | Tool surface microalloying by self-extending high-temperature synthesis | |
Bogodukhov et al. | Effect of Continuous Laser Treatment on the Wear Resistance of Hard Alloy WCo8 | |
Kudryashov et al. | Use of electric spark alloying technology and promising nanostructured electrode materials for improving the life of punching equipment |