Винахід відноситься до машинобудування, переважно до холодної і гарячої механічній обробці металів, зокрема до методів збільшення зносостійкості різального інструменту. Мета - збільшення зносостійкості твердого сплаву. Виріб обробляють електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі в межах від і дозою в межах від 1 10 7 до 1,3 10 9 рентген. 4 табл.
Винахід відноситься до машинобудування, переважно до холодної і гарячої механічній обробці металів, зокрема до методів збільшення зносостійкості різального інструменту.
Відомий спосіб [1] збільшення зносостійкості твердосплавного ріжучого інструменту на основі карбіду вольфраму шляхом нанесення зносостійкого покриття, що складається, наприклад, з карбідів або нітридів титану. Спосіб дозволяє збільшити зносостійкість твердосплавного ріжучого інструменту в кілька разів.
Відомий також спосіб збільшення зносостійкості твердосплавного ріжучого інструменту на основі карбіду вольфраму шляхом імплантації іонів азоту або гелію з енергією 150 кеВ [2] Найбільш близьким до пропонованого є спосіб обробки твердосплавного ріжучого інструменту на основі карбіду вольфраму шляхом впливу одним з видів електромагнітного випромінювання лазерним випромінюванням.
Недоліками відомих способів є: мала товщина покриття, що становить приблизно 10 про 10 1 мкм, і погіршення адгезії між матеріалом твердого сплаву і покриттям при збільшенні товщини останнього; необхідність використання унікального дорогого устаткування імпульсного прискорювача іонів; мале збільшення зносостійкості (в 1,5 рази).
Метою винаходу є підвищення зносостійкості твердого сплаву в кілька разів у порівнянні з прототипом.
Мета досягається тим, що довжину хвилі електромагнітного випромінювання вибирають в межах від 1,234 10 -3 до 24,5. а дозу в межах від 1 10 7 до 1,3 10 9 рентген.
Позитивний ефект цього винаходу проявляється в тому, що зносостійке покриття має ідеальну адгезію, так як є частиною матриці твердосплавного матеріалу, а його товщина визначається енергією -випромінювання і може становити до 10 -1 10 про см; в тому, що з'являється можливість використання простого обладнання, наприклад природних джерел -випромінювання; зокрема Сs 137. З 60; в тому, що зносостійкість твердосплавного матеріалу збільшується до 5 разів у порівнянні з прототипом завдяки використанню принципово іншого виду електромагнітного випромінювання.
Експериментально встановлено, що пластини, виготовлені з твердих сплавів марок Т15К6 і МС 111, збільшують свої зносостійкість і термін служби в 5-10 разів після впливу -випромінювання з енергією 0,5 МеВ і дозами від 1 10 7 до 2,0 10 8 рентген .
П р и м і р 1. У Люберецком виробничому об'єднанні "Завод імені Ухтомського" проведені випробування на термін служби пластин, виготовлених з твердого сплаву Т15К6. Пластини були піддані впливу -випромінювання від природного джерела Cs 137 c енергією приблизно 0,5 МеВ і дозами від 5 10 7 до 1,5 10 8 рентген. Опрацьований матеріал сталь 18ХГТ. Обробка проводилася в цеху N 18 на верстаті 1 Н 713, операція 020, деталь КРН 2,1.03.611А. Число оборотів шпинделя n180 об / хв, швидкість різання V 102 м / хв, подачі s 0,1 мм / об, глибина різання t 0,22 мм. Результати випробувань представлені в табл. 1. Як випливає з табл.1, максимальний ефект (Kc N дет / Noдет 7) від обробки -випромінюванням досягається при чорновій обробці найбільш важких умовах роботи інструменту. У той же час при легких умовах роботи (для яких і призначена марка Т15К6) ефект впливу -випромінювання різко знижується. Крім того результатом впливу випромінювання було охрупчивание: термін служби інструменту обмежувався не зноситься, а руйнуванням пластини. Останній результат підтверджується і даними випробувань, проведених в ПО "ЗІЛ". Там випробовувалися пластини Т15К6, опромінені двома дозами 5 10 7 і 2,5 10 8 рентген. Опромінення -квантів збільшувало зносостійкість всього на 30-40% а при дозі 2,5 10 7 рентген спостерігалося охрупчивание відбувалося руйнування пластини.
П р и м і р 2. У Люберецком виробничому об'єднанні "Завод імені Ухтомського" проведені випробування на термін служби пластин, виготовлених з твердого сплаву МС 111. Пластини були піддані впливу -випромінювання від природного джерела Cs 137 c енергією приблизно 0,5 МеВ і дозами 1 10 8 2,5 10 8 рентген. Оброблювана деталь КРНО 3604, матеріали заготовок: сталь 45, сталь 45Г. Обробка проводилася в цеху N 20 на гідрокопіровальний напівавтоматичному верстаті моделі 473 4. Кількість оборотів шпинделя n 400 об / хв, швидкість різання V 70 м / хв, подачі s 0,53 мм / об, глибина різання t2,5 мм. Результати випробувань представлені в табл.2. Як випливає з табл.2, термін служби різального інструменту помітно зростав (в 4-10 разів) при найменших дозах -випромінювання.
П р и м і р 3. На Московському комбінаті твердих сплавів (МКТС) проведені випробування на зносостійкість пластин, виготовлених з твердого сплаву МС 111. Пластини були піддані впливу -випромінювання від природного джерела Cs 137 з енергією приблизно 0,5 МеВ і дозами 1 10 7 і 1 10 8 рентген. Опрацьований матеріал сталь 50. Обробка проводилася на верстаті 1М63. Число оборотів шпинделя варіювалося в широких межах в залежності від діаметра заготовки (n 380,5 981 об / хв), але швидкість різання всюди була постійною і рівною V 215 м / хв, подача s 0,20 мм / об, глибина різання t1, 0 мм. Результати випробувань представлені в табл.3. Як випливає з таблиці 3, зносостійкість зменшується приблизно вдвічі при зменшенні дози опромінення на порядок (Кс 2,5 і 1,37, якщо користуватися методикою розрахунку, прийнятої в МКТС, Кс 4,45 і 2,10, якщо користуватися загальновизнаною методикою розрахунку ).
Користуючись даними, наведеними в прикладах 2 і 3, можна визначити нижню і верхню межі доз -випромінювання. Якщо вважати, що прийнятною для промисловості є величина Кс 2,0, то з табл.2 і 3 випливає, що нижньою межею є Dн 1 10 7 рентген (табл.3), а верхній Dв 2 10 8 рентген (табл. 2) . Експериментально встановлено, що подальше зменшення дози опромінення знижує Кс. Так, при D 1. 10 6 рентген коефіцієнт стійкості зменшується приблизно вдвічі і його величина приблизно дорівнює одиниці.
Таким чином, в результаті випробувань зносостійкості і терміну служби пластин з твердого сплаву на основі карбіду вольфраму знайдені наступні межі інтервалу доз -випромінювання з енергією Е приблизно 0,5 МеВ: нижня межа 1 10 7 рентген, верхня межа 2 10 8 рентген.
Експериментально встановлено на прикладі ріжучих пластин і твердосплавного матеріалу на основі карбіду вольфраму, що при опроміненні їх протонами і частками високих енергій і квантів діє один і той же механізм збільшення зносостійкості іонізаційний, що обумовлює розрив напружених зв'язків в матеріалі. Звідси випливає, що область застосування запропонованого способу охоплює не тільки тверді сплави на основі карбіду вольфраму, а й інші тверді сплави, наприклад нітрид бору, нітрид і карбіди титану, кераміку і т. Д. Оскільки зазначені матеріали мають різний елементним складом і різними фізичними, хімічними і механічними властивостями, збільшення їх зносостійкості може бути досягнуто при впливі інших, відмінних від знайдених на твердих сплавах на основі карбіду вольфраму, значень довжини хвилі (енергії кванта) і дози випромінювання.
Випробування, проведені в Московському комбінаті твердих сплавів (МКТС), показали, що в разі карбіду титану ТiC максимальне значення Кс 1,74, а в разі кераміки Al2 O3 + ТiC максимальне значення Кс 1,76.
Нижня межа довжини хвилі (верхня межа енергії кванта) -випромінювання визначено з порівняння енергетичних порогів різних ефектів (фотоефект, Комптон-ефект), що призводять до іонізації (видалення електронів з атомів речовини, що опромінюється), і конкуруючого процесу народження пар (електрон і позитрон), обумовленого взаємодією -випромінювання з ядрами атомів речовини і не вносить будь-якого вкладу в видалення електронів з оболонок атома.
Верхня межа Комптон-ефекту перевершує верхню межу фотоефекту і становить приблизно 360 МеВ. Однак нижній поріг конкуруючого процесу народження пар дорівнює 1,02 МеВ, тобто значно більш низької енергії. Його внесок в поглинання стає рівним вкладу в поглинання завдяки Комптон-ефекту, починаючи з енергій в декілька МеВ. Внаслідок того, що вище цих енергій коефіцієнт поглинання або починає зростати (для важких елементів), або практично перестає спадати (для легких елементів), доцільно в якості верхньої межі енергій прийняти величину Еb. при якій внесок Комптон-ефекту в розсіювання максимальний, а крива поглинання має мінімум. Оскільки ця величина менше для важких, а більше для легких елементів, вибирають для Еb максимальне значення, рівне 10 МеВ. Звідси нижнє значення довжини хвилі н = 1,234 10 При наявності відповідного обладнання можливе використання і інтервалу 10-360 МеВ (= 3,44 10 -5 -1,234 10) але в ньому може знадобитися збільшення дози опромінення внаслідок зростання коефіцієнта поглинання у важких елементів і зменшення ККД комптон-ефекту.
Верхня межа довжини хвилі (нижня межа енергії кванта) випромінювання визначено з практичного критерію: товщина утворюється зносостійкого покриття (т. Е. Товщина утворюється в результаті опромінення приповерхневого шару зі зміненими властивостями великий зносостійкість) не повинна бути менше 1 мкм, т. Е. Має бути порівнянна з мінімальною товщиною спеціально створюваних зносостійких покриттів [1] Глибина проникнення випромінювання в твердий сплав повинна бути не менше 1 мкм. За нижню межу енергії кванта (верхня межа довжини хвилі) рентгенівського випромінювання приймають енергію, при якій глибина проникнення випромінювання в легких твердий сплав нітрид бору BN дорівнює 1 мкм. Використовуючи залежність коефіцієнта поглинання випромінювання при фотоефекті Z 5 3,5. де Z порядковий номер елемента; довжина хвилі випромінювання, і приймаючи за Z нітриду бору Z вуглецю: ZBN = Zc = 6, а в якості щільності значення щільності BN BN 2,84 г / см 3. незначно відрізняється від щільності вуглецю, отримують для визначення BN просте рівняння BNBN A Zc 5 BN 3,5 AlAl ZAl 5 Al 3,5 1 10 4 см -1 (1) Визначаючи значення Al = 7,77 при якому Al 10 4 cм -1 в смузі до поглинання, знаходять з (1), що в тій самій шпальті поглинання K BN = 24,5 або Ен 0,504 кеВ. Отже, за верхню межу довжини хвилі B приймають величину, рівну 24,5.
Нижня межа дози опромінення визначено шляхом екстраполяції отриманого з випробувань значення (1 10 7 рентген при Е приблизно 0,5 МеВ) на область низьких енергій (рентгенівські промені) і малих глибин проникнення (-1 10 -4 cм 1 мкм). З визначення одиниці експозиційної дози (дози опромінення) 1 рентген і методу розмірностей легко отримати рівняння Nкв h 3 D - 1 (2) cвязивающее між собою кількість квантів випромінювання (фотонів) Nкв. падаючих на 1 см 2 речовини і поглинених в шарі товщиною 3 -1. їх енергію h дозу опромінення D, щільність речовини та коефіцієнт поглинання.
Користуючись (2), отримують, що в умовах випробувань (Dн = D1 = 1 10 7 рентген = 8/5 10 8 (h) 1 0,5 МеВ, 1 1 см -1 1 = 15/6 г / см 3 No1кв = 5 10 16 Для тих же умов застосування наближеної формули, наведеної в [4] 1p (3) дає приблизно таку саму кількість фотонів N 4 10 16.
Скориставшись законом Бугера (J jо eхр (- х)), знаходять, що в шарі xo товщиною 1 мкм на поверхні матеріалу поглинається в умовах випробувань Jo Jo e o x o 1 хо Jo 10 -4 Jo. (4) тобто кількість квантів, поглинених в при поверхневому шарі 1 мкм, і що припадає на 1 см 2. одно: Nкв (1 мкм) 10 -4 N01кв 5 10 12 квантів / см 2 Звідси енергія, поглинена 1 см 2 шари товщиною 1 мкм, дорівнює Епогл 5 10 12 h 5 10 12 1,6 10- 12 xx 5 10 5 4 10 6 ерг. Вважаючи, що в шарі нітриду бору товщиною 1 мкм при (h) 2 0,5 кеВ поглинається ту ж кількість енергії і користуючись рівнянням (2), знаходять
D2 2,23 10 8 рентген> D1
Таким чином величина Dн D1 1 10 7 рентген, знайдена в умовах випробувань, залишається нижньою межею доз опромінення.
Верхня межа дози опромінення визначено шляхом екстраполяції отриманого з випробувань значення (2 10 8 рентген при Е приблизно 0,5 МеВ) на область більш високих енергій (жорсткі гамма-промені) і великих глибин проникнення (2 - 1 10 1 см). Користуючись формулою (4), визначають кількість квантів, поглинених в шарі товщиною хо:
N No No e - x o xo No (5)
Розкладання (5) справедливо, якщо хо <<1. Например, величина износа задней поверхности режущей пластины в опытах, представленных в табл.3, колебалась от 0,45 до 0,80 мм. Это означает, что при <1 cм -1. а это имело место в наших опытах, условие (5) выполняется.
Використовуючи рівняння (2), отримують
N = x
Формула (6) визначає N через поглинену на пробігу 3 -1 дозу квантів. Таким чином з точністю до 5% (на прогалині 3 -1 поглинається 95% падаючого випромінювання) D у формулі (6) і повні дози опромінення рівні один одному. Енергія, що виділяється в шарі хо. дорівнює
Е h N 3D хо (7)
Поклавши, що у всіх дослідах хо сonst, наприклад, хо 5 10 -2 см, і 1,0 (т. Е. (5) виконується), отримують з умови рівності поглиненої енергії в шарі хо різних твердих сплавів
D11 D22 D33 Dnn (8)
Вважаючи, що D1 D2WC. 1WC отримують:
D = D2WC (9) і т.п.
Величини при Е 10 МеВ для WC, ТiC, Al2 O3 і BN знайдені, користуючись співвідношеннями, що зв'язують коефіцієнти поглинання -випромінювання при Комптон-ефект і при народженні пар з порядковим номером елемента Z, атомним вагою А і щільністю
У табл.4 наведені значення при E 10 МеВ, B і D2B для WC, ТiC, Al2 O3 і BN.
Таким чином у міру зростання середнього значення порядкового номера Z і щільності твердого сплаву закономірно збільшуються значення коефіцієнта поглинання -випромінювання і закономірно зменшуються значення верхніх меж довжини хвилі і дози електромагнітного випромінювання, що забезпечують позитивний ефект.
Як видно з табл.4, за величину D2в слід прийняти величину 1,3 10 9 рентген.
Оскільки поглинена енергія в шарі хо не змінюється, слід очікувати, що коефіцієнт стійкості також не зміниться і його значення складе 2,0 для випадку BN (Еmaх 10 МеВ, D2B 1,3 10 9 рентген). Подальше збільшення дози опромінення в цьому випадку має привести до різкого падіння Кс (порівняйте 3 ма і 4 ую рядки табл.2).
Мінімальна величина енергії (максимальна довжина хвилі, що дорівнює 24,5) рентгенівського випромінювання отримана теоретично для випадку опромінення нітриду бору BN. З причини, викладеної вище, слід очікувати того ж значення Kc 2,0.
СПОСІБ ОБРОБКИ ТВЕРДОГО СПЛАВА шляхом впливу електромагнітним випромінюванням, що відрізняється тим, що довжину хвилі електромагнітного випромінювання вибирають в межах 1,234 10 - 3 - 24,5. а дозу - в межах 1 10 7 - 1,3 10 9 P.