Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА С КОБАЛЬТОВОЙ СВЯЗКОЙ

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационной модификации изделий из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой, в частности к изделиям, применяемым для холодной и горячей механической обработки металлов и сплавов, например резанием, а также для породоразрушающего инструмента.

Известен способ радиационной обработки твердых сплавов на основе кобальта [1], заключающийся в облучении их интегральными потоками электронов Φ в интервале от 10¹³ до 4·10¹⁸ эл/см² при потоке электронов 6·10¹³ эл/(см²·с) и энергиях электронов 1,2 и 1,8 МэВ. Недостатками известного способа являются: недостаточная эффективность при относительно малых значениях интегрального потока электронов: при Ф=10¹³-10¹⁵ эл/см² микротвердость изменялась незначительно и лишь в интервале 5·10¹⁷-2·10¹⁸ эл/см² она возрастала на 18%; низкая экономичность из-за большой длительности процесса обработки (8000-32000 с, т.е. 2 ч 13 мин - 9 ч).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ радиационной обработки [2], в котором поверхность изделия облучают электронами в интервале от одного электрона до менее 10⁷ электронов, падающих на поверхность изделия. При этом используют радиоизотопный источник электронов, содержащий смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90 (Sr⁹⁰+Y⁹⁰). Энергетический спектр электронов источника Sr⁹⁰+Y⁹⁰ весьма широк: он простирается от практически нулевых энергий до Е₀=2,27 МэВ. Недостатком указанного способа является зависимость результатов от температурных режимов спекания сплава и большое время облучения, порядка 19 минут при верхнем пределе значения потока электронов. Данный способ является экономически нецелесообразным также из-за неопределенности выбора интегрального потока от одного электрона до менее 10⁷ электронов, падающих на поверхность изделия.

Предлагаемое изобретение направлено на исключение влияния температурных режимов спекания и обеспечение промышленного применения для упрочнения поверхностей режущих инструментов из твердых сплавов марок ВК и ТК с кобальтовой связкой. Повышается износостойкость и срок службы режущего инструмента.

Способ упрочнения поверхности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой, включающий воздействие на поверхность инструмента потоком электронов, характеризуется тем, что обеспечивают получение поверхностью инструмента заряда 0,1- 0,8 мK/см², при этом на поверхность инструмента воздействуют потоком электронов с энергией электронов 0,5-1,5 МэВ в течение не менее 10 с.

Отличительными признаками изобретения являются:

- замена облучения радиоизотопным источником на воздействие потоком электронов от ускорителя электронов;

- значение нижнего порога получения поверхностью заряда не менее 0,1 мK/см²;

- значение верхнего порога получения поверхностью заряда не более 0,8 мK/см²;

- время воздействия потока электронов не менее 10 с;

- энергия электронов не менее 0,5 МэВ и не более 1,5 МэВ.

Нами экспериментально установлено, что энергетическое воздействие потоком электронов в указанном диапазоне энергий за время не менее 10 с не вызывает локального разогрева поверхности, которое могло бы вызвать расплавление тонкого поверхностного слоя, как это бывает при импульсном воздействии потоком ионов [3] и не вызывает образование существенного количества новых дефектов в структуре сплава. Последнее обстоятельство подтверждено исследованиями в работе [4], где доказано, что образуются не новые дефекты, а напротив, имеющиеся точечные дефекты объединяются в кластеры - петли, что приводит к изменению механических характеристик.

Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась измерением твердости поверхности методом Роквелла при нагрузках на индентор не менее 30 кГ. Это позволяет убедиться в модификации поверхности на глубину не менее 6 мкм. В частности, измерения твердости проводили до и после обработки с помощью прибора ТКС-1М (Супер-Роквелл) при нагрузке на индентор в 30 кГ. Так, после обработки поверхности зубков (для породоразрушающего инструмента) из сплавов ВК8ВК, ВК11ВК и ВК13 были получены следующие результаты:

Таблица 1

Необходимо отметить, что сплавы ВК8ВК и ВК11ВК - это сплавы с особо крупными (обозначение ВК в конце названия) зернами монокарбида вольфрама 1-3 мкм, а сплав ВК13 с большим содержанием кобальта -13%. Как известно, твердость растет с уменьшением размера зерен и падает с увеличением количества кобальта в сплаве. Также были обработаны фрезы итальянского производства из особо мелкого монокарбида вольфрама марки ВК8:

Таблица 2

Фрезы для испытаний были предоставлены ФГБУ «СТАНКИН», а зубки - ОАО «Волгобурмаш». Как видно, и мелкозернистые, и крупнозернистые твердые сплавы и сплавы с большим содержанием кобальта после обработки потоком электронов получают упрочнение поверхностного слоя. Глубину проникновения индентора можно примерно определить по следующей формуле h=2(100-HR) мкм, где HR значение твердости. Для фрез глубина проникновения индентора составила 16 мкм, а для зубков - 20-24,6 мкм. Экспериментально было установлено, что при обработке потоком электронов наиболее значительно упрочняется верхний слой толщиной менее 1 мкм, где значения микротвердости достигают 20-50 ГПа по Виккерсу. Проведенные измерения на приборе «НАНОСКАН» с индентором Берковича в ФГБУ «ТИСНУМ» (г. Троицк) обработанных образцов из сплава ВК6 показали, что наибольшая микротвердость (20 ГПа) имеет место в поверхностном слое толщиной 250 нм и затем уменьшается до 12 ГПа на глубине 1000 нм. Но известно, что энергетическое воздействие подобного рода модифицирует поверхность на глубины порядка 100-200 мкм, так в работе [5] показано, что в процессе работы режущего инструмента наблюдается модификация поверхности на данную глубину только у обработанного инструмента.

Применение ускорителя электронов имеет существенные преимущества перед использованием изотопных источников электронов:

- строго контролируемое значение энергии электронов не более 1,5 МэВ, т.е. уменьшение вероятности возникновения новых дефектов в кристаллической решетке металлов;

- четко контролируемая в пространстве геометрия потока электронов;

- равномерная и регулируемая плотность потока электронов на единицу поверхности;

- строго контролируемое и регулируемое значение интегрального потока электронов на единицу поверхности - измеряемое значение заряда, полученного единицей поверхности в кулонах на квадратный см, - возможность промышленного применения для обработки серийного выпуска в млн штук в год резцов, сверл, фрез, зубков и т.п.;

- контролируемая радиационная безопасность при работе установки и полная безопасность при ее выключении.

Кажущая высокая стоимость установки порядка 1 млн евро оказывается ничтожно малой на единицу обработанной продукции. Так установка [6], имеющая раструб для формирования геометрии потока электронов и вывода потока в атмосферу с геометрией потока 50*600 мм, способна за час обработать 720 фрез диаметром 20 мм и длиной 200 мм, в год не менее 1,5 млн фрез или 40 млн зубков.

Литература

1. Петренко П.В., Кулиш Н.П., Мельникова Н.А., Грицкевич А.Л., Мищенко О.П. /Механизм радиационного упрочнения инструмента из твердого сплава на основе кобальта // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 1991. - В. 1(55). - С. 105-107.

2. Патент РФ 2242328 «Способ радиационной обработки изделий из карбидосталей». Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н. и др.

3. Солдатенко Е.А., Колубаева Ю.А. /Влияние плотности энергии и длительности импульса сильноточного электронного пучка на внутреннюю структуру твердого сплава Т15К6./ Труды 9-й МК «Взаимодействие излучений с твердым телом», Минск, 2011 г., с. 83-85.

4. Левшунова В.Л., Питиримова Е.А., Похил Г.П., Тетельбаум Д.И./Новые особенности эффекта дальнодействия при наблюдении его на электронографе./ Труды 10-й МК «Взаимодействие излучений с твердым телом», Минск, 2013 г., с. 53-55.

5. Полещенко К.Н., Орлов П.В., Геринг Г.И., Вершинин Г.А., Иванов Ю.Ф. /Структурные превращения в приповерхностных слоях модифицированных твердых сплавов при трибомеханическом нагружении. /Вестник Омского университета. 1997, Вып. 3, с. 35-37.

6. Алимов А.С., Ишханов Б.С, Пахомов Н.И., Шведунов В.И. /Компактный линейный ускоритель электронов для радиационных технологий./ Федеральное агентство по атомной энергии ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ» Центр «АТОМ-ИННОВАЦИЯ» материалы инновационного форума РОСАТОМА, июнь 2007, с. 87-88.