RU2726233C1 - Способ повышения физико-механических свойств инструментальных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения - Google Patents
Способ повышения физико-механических свойств инструментальных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2726233C1 RU2726233C1 RU2019110122A RU2019110122A RU2726233C1 RU 2726233 C1 RU2726233 C1 RU 2726233C1 RU 2019110122 A RU2019110122 A RU 2019110122A RU 2019110122 A RU2019110122 A RU 2019110122A RU 2726233 C1 RU2726233 C1 RU 2726233C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hardening
- cutting
- tool
- pulse laser
- phase composition
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/06—Surface hardening
- C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области получения материалов с новыми свойствами, используемых, в частности, при изготовлении твердосплавного режущего инструмента. Способ лазерной обработки твердосплавного режущего кобальтосодержащего инструмента включает воздействие импульсным лазерным лучом на режущий инструмент, при этом режущий инструмент обрабатывают при помощи объёмного импульсного лазерного упрочнения, затем проводят анализ фазового состава материала, корректировку режимов упрочнения, а энергию лазерного импульса определяют на основании результирующего количества α-Со в кобальтовой связке упрочнённого материала. Техническим результатом изобретения является повышение физико-механических свойств материалов, которые сохраняются после износа и переточек. При этом оптимизация фазового состава материала позволяет получать максимально высокие результаты для каждых конкретных условий резания. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области получения материалов с новыми свойствами, используемых в частности, при изготовлении твердосплавного режущего инструмента.
Известен способ поверхностной лазерной обработки твердых сплавов (Коваленко В.С. Упрочнение деталей лучом лазера. – Киев: Техника, 1981. – 131 с.), который представляет собой последовательную закалку режущего инструмента при облучении лазером. Основные недостатки поверхностной лазерной обработки твердосплавного режущего инструмента следующие:
- невозможно одновременное упрочнение передней и задней поверхностей режущего инструмента;
- режущая кромка упрочнённого инструмента подвержена хрупкому разрушению;
- упрочнённый слой материала не сохраняется после переточки инструмента.
Известен способ повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента методом импульсной лазерной обработки (ИЛО) (Патент RU 2460811, опубл. 10.09.2012), заключающийся в том, что воздействие импульсным лазерным лучом на режущий инструмент осуществляют с плотностью энергии 10-50 Дж/мм2 при расстоянии режущей кромки от места облучения 12-18 мм.
Также известен способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объёмного импульсного лазерного упрочнения (ОИЛУ) (Патент RU 2517632, опубл. 27.05.2014), заключающийся в том, что изделие подвергают лазерной обработке с использованием лазера импульсного действия при полезной энергии импульса 60-500 Дж, плотности мощности импульса 1,2·1010-4,3·1011 Вт/м2, длине волны 1,064·10-6 м и продолжительности импульса 0,8·10-3 с, при этом диаметр луча равен 1,2·10-3-2,5·10-3 м, а расстояние от места облучения до упрочняемой поверхности - 12-30 мм.
Основным недостатком указанных способов обработки является отсутствие контроля фазового состава, а также отсутствие оптимизации процесса упрочнения. Режимы упрочнения назначаются исходя из вида и типоразмера инструмента. При этом такие факторы как различия в исходном составе в зависимости от марки и производителя твердых сплавов, не учитываются. Это не позволяет достигнуть оптимальных значений эксплуатационных свойств инструмента.
Известен способ упрочнения готового инструмента путем лазерной обработки (А. с. №1078939 А (СССР)), заключающийся в том, что после лазерной обработки с плотностью энергии 5-30 Дж/мм2, производят термическую обработку. Данный способ может применяться только для быстрорежущих инструментальных сталей.
Технический результат изобретения заключается в повышении физико-механических свойств материалов, которые сохраняются после износа и переточек.
Указанный технический результат достигается тем что, при лазерной обработке твердосплавного режущего инструмента, включающей в себя воздействие импульсным лазерным лучом на режущий инструмент, энергия лазерного импульса определяется на основании результирующего количества α-Со в кобальтовой связке упрочнённого материала. Для этого проводится анализ фазового состава материала с использованием метода рентгеноструктурного анализа.
При упрочнении предлагаемым в прототипе способом, назначают режимы упрочнения исходя из вида и типоразмера инструмента, это дает большой разброс по результирующим свойствам и как следствие не высокую гарантированную стойкость. Если при упрочнении, провести корректировку режимов используя анализ фазового состава (т.е. анализируя результирующее количество α-Со в кобальтовой связке упрочнённого материала), то мы получим более высокую стойкость инструмента (в 1,3-1,5 раза выше по сравнению с предлагаемым в прототипе способом), а также лучшую стабильность свойств. При этом оптимизация фазового состава материала позволяет получать максимально высокие результаты для каждых конкретных условий резания.
К группе инструментальных материалов относят твердые сплавы, которые изготавливаются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанных кобальтовой металлической связкой. Указанные сплавы, представляют собой сложный гетерогенный материал, чьи физико-механические свойства во многом обусловлены структурой спечённого материала. При этом твердым сплавам характерна нестабильность свойств материала (фазовый состав, напряженное состояние), в результате, от партии к партии стойкость инструмента (его основное эксплуатационное свойство), может меняться, притом значительно. Эффективным исследовательским инструментом, в данном случае является метод рентгеноструктурного анализа. Используя указанный метод исследований, мы получаем возможность контролировать фазовый состав материала.
Рентгеновскую съёмку вели на дифрактометре со сцинтиляторным счётчиком «Siemens», марки D-501. Использовалась трубка с медным анодом, длина волны Кα излучения 1,5442Å. Размеры щелей ограничивающих первичный пучок 1°, на счётчике 1°. Напряжение на трубке 40кВ, ток через трубку 130 мА. Съёмка велась непрерывно, скорость движения счётчика 0,5 град/мин. Исследовались отражения (101) α-кобальта и (200) β-фазы. Для расчёта интегральной интенсивности отражения (hkl) использовалась зависимость, приведённая в работе [Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А., Рентгенографический и электроннооптический анализ. – М.: Металлургия, 1970. – 367 с.],
где: I0 – интенсивность первичных лучей;
K – постоянная величина для данного вещества и данных условий съёмки;
LP – угловой множитель интенсивности (поляризационный фактор Лоренца);
m – множитель повторяемости,
f – фактор атомного рассеяния,
ǀFǀ2 – структурный фактор;
e-2M – температурный множитель;
M –фактор повторяемости;
U – единичный объём элементарной ячейки;
V – объём анализируемой фазы;
A(θ) – абсорбционный множитель.
Для исследуемых отражений значения A(θ) и K имеют близкие значения.
В таблице 1, приведены значения величин необходимых для определения интегральных интенсивностей линий α и β-кобальта.
Используя имеющиеся данные, а также учитывая, что сумма Vα и Vβ равна единице, становится возможным определить отношения интегральных интенсивностей отражений. Экспериментальная ошибка определения объёмной доли каждой из фаз, составила, не более ±1,5%.
Таким образом, методики, применяемые в данной работе, позволяют с достаточной точностью судить о процессах, протекающих в твёрдых сплавах в ходе их импульсно-лазерной обработки.
В ходе реализации предлагаемого способа упрочнения, режущий инструмент обрабатывался при помощи объёмного импульсного лазерного упрочнения. Затем проводился анализ фазового состава материала, и производилась корректировка режимов упрочнения. Используя предлагаемый способ упрочнения, удаётся повысить эффективность упрочнения в 1,3-1,5 раза, по сравнению с импульсной-лазерной обработкой без оптимизации по фазовому составу.
В качестве проверки предлагаемого способа упрочнения были проведены производственные испытания прямых проходных резцов, при следующих условиях:
- способ крепления пластины – напайка;
- обрабатываемый материал, серый чугун марки К-1, высокопрочный специальный чугун KV-1;
- материал режущей части ВК8, ВК20;
- геометрия режущего инструмента (γ=10ᵒ, α=8ᵒ, φ=60ᵒ);
- обрабатываемая деталь – кольцо поршневое D=150÷110 мм, S=6÷3мм, детали собраны в пакет шириной 200мм, обрабатываемая поверхность литейная корка;
- операция росточка/обточка по копиру, двумя комплектами резцов соответственно, по 3 резца в комплекте, при выходе из строя любого из резцов, меняется весь комплект.
- режимы резания: скорость резания V=43-86 м/мин, подача S=0,2 мм/об; глубина резания t=1,0 мм;
- режимы упрочнения: энергия импульса Е=300-350 Дж. для ВК8; 350-400 Дж. для ВК20, длина волны 1,064•10-6 м, продолжительность импульса – (0,8-1,0)•10-3 с, диаметр луча (1,3÷1,5)•10-3 м
- содержание α-Со (0÷60)%.
В ходе анализа экспериментальных данных, были определены оптимальные марки сплавов и параметры их фазового состава, для проведения указанных операций. При резании серого чугуна К1 целесообразно использовать твёрдый сплав марки ВК8. Рекомендуемая скорость резания 45 м/мин. Для обработки высокопрочного чугуна оптимальным будет твёрдый сплав марки ВК20. Рекомендуемая скорость резания 65 м/мин.
При этом, для упрочнении по предлагаемому способу, для черновой обработки чугуна, необходимое количество α-Со составляет: для сплава ВК8 - 20±5%, для сплава ВК20 - 48±3%. Используя предлагаемый способ упрочнения, становится возможным получать стабильные результаты, вне зависимости от колебаний исходных свойств материала.
Результаты испытаний показали, что стойкость инструмента с контролем количества α-Со, выше по сравнению с аналогичным упрочнением без контроля фазового состава, в 1,3-1,5 раза.
Claims (1)
- Способ лазерной обработки твердосплавного режущего кобальтосодержащего инструмента включающий воздействие импульсным лазерным лучом на режущий инструмент, отличающийся тем, что режущий инструмент обрабатывают при помощи объёмного импульсного лазерного упрочнения, затем проводят анализ фазового состава материала и корректировку режимов упрочнения, при этом энергию лазерного импульса определяют на основании результирующего количества α-Со в кобальтовой связке упрочнённого материала.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019110122A RU2726233C1 (ru) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Способ повышения физико-механических свойств инструментальных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019110122A RU2726233C1 (ru) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Способ повышения физико-механических свойств инструментальных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2726233C1 true RU2726233C1 (ru) | 2020-07-10 |
Family
ID=71510642
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019110122A RU2726233C1 (ru) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Способ повышения физико-механических свойств инструментальных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2726233C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA001503B1 (ru) * | 1996-01-15 | 2001-04-23 | Дзе Юниверсити Оф Теннесси Рисерч Корпорейшн | Способ повышения качества поверхности с помощью лазерной обработки |
US20080216926A1 (en) * | 2006-09-29 | 2008-09-11 | Chunlei Guo | Ultra-short duration laser methods for the nanostructuring of materials |
RU2460811C1 (ru) * | 2011-01-20 | 2012-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "СевКавГТУ") | Способ повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента методом импульсной лазерной обработки (ило) |
RU2517632C1 (ru) * | 2013-01-09 | 2014-05-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения (оилу) |
-
2019
- 2019-04-05 RU RU2019110122A patent/RU2726233C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA001503B1 (ru) * | 1996-01-15 | 2001-04-23 | Дзе Юниверсити Оф Теннесси Рисерч Корпорейшн | Способ повышения качества поверхности с помощью лазерной обработки |
KR100319962B1 (ko) * | 1996-01-15 | 2002-02-19 | 앤 제이. 로베르슨 | 레이저에의한표면처리장치및방법 |
US20080216926A1 (en) * | 2006-09-29 | 2008-09-11 | Chunlei Guo | Ultra-short duration laser methods for the nanostructuring of materials |
RU2460811C1 (ru) * | 2011-01-20 | 2012-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "СевКавГТУ") | Способ повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента методом импульсной лазерной обработки (ило) |
RU2517632C1 (ru) * | 2013-01-09 | 2014-05-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения (оилу) |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
. Коваленко В.С. Упрочнение деталей лучом лазера, Киев: Техника, 1981. * |
Коваленко В.С. Упрочнение деталей лучом лазера, Киев: Техника, 1981. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
James et al. | Residual stresses and fatigue performance | |
Hassan et al. | Experimental investigation of Material removal rate in CNC turning using Taguchi method | |
Datta et al. | Modeling and optimization of features of bead geometry including percentage dilution in submerged arc welding using mixture of fresh flux and fused slag | |
Kumar et al. | Effect of hybrid wire EDM conditions on generation of residual stresses in machining of HCHCr D2 tool steel under ultrasonic vibration | |
Serebrennikova et al. | Research results of stress-strain state of cutting tool when aviation materials turning | |
Sivasubramani et al. | Influence on nonhomogeneous microstructure formation and its role on tensile and fatigue performance of duplex stainless steel by a solid-state welding process | |
JP2021529676A (ja) | 切削ツールを処理する方法及び切削ツール | |
Shakhov et al. | Studies in coatings for working bodies of deep-rippers recovered by plasma surfacing | |
RU2726233C1 (ru) | Способ повышения физико-механических свойств инструментальных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения | |
Gopan et al. | Experimental investigation on the effect of process parameters on friction stir processing of aluminium | |
RU2517632C1 (ru) | Способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объемного импульсного лазерного упрочнения (оилу) | |
Ibrahim et al. | Investigation and optimization of machining parameters in electrochemical machining of aluminium metal matrix composites | |
Pinakhin et al. | Improving wear resistance of fast-cutting steel R6M5 after a volume pulse laser strength | |
Pinahin et al. | Investigation into strength T5К10 hard alloy after volumetric pulsed laser hardening (VPLH) | |
Pinahin et al. | Wear resistance increase of single-carbide hard alloys after bulk pulse-laser hardening | |
Zhang et al. | Combining turning with slide burnishing to improve surface integrity and stress corrosion resistance | |
Dave et al. | Optimisation of multiple response characteristics in orbital electro discharge machining of Inconel 718 using Taguchi’s loss function | |
Sharma et al. | Prediction of Surface Roughness of Mild Steel finished with Viscoelastic Magnetic Abrasive Medium | |
Singh et al. | Analysis of surface characteristics for Al-SiC metal matrix composites machined by wire electrical discharge machining (WEDM) | |
Kumar et al. | Experimental Optimization of Process Parameters with Wire-EDM on Inconel 625 | |
RU2740584C1 (ru) | Способ повышения чистоты поверхности обрабатываемых металлических изделий | |
Gabb et al. | Influences of Varied Electrical Discharge Machining Operations on Surface Conditions of Several Nickel-Based Superalloys | |
Połaski et al. | Remanufacturing and surface modification in micro-areas by laser beam and microTIG methods | |
Samotugin et al. | The fundamentals of synthesis of modified layers on cutting-tool hard alloys | |
RU2564645C1 (ru) | Способ упрочнения поверхности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210406 |