Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введения

1.Обзор литературы

1.1 Методы поверхностного упрочнения твердых сплавов

1.1.1 Абразивная алмазная обработка

1.1.2 Вибро- и дробеструйная обработка

1.1.3 Обработка ультразвуком

1.1.4 Радиационная обработка

1.1.5 Магнитно-алмазное полирование

1.1.6 Лазерное упрочнение

1.1.7 Плазменно-детонационное упрочнение

1.1.8 Химико-термическая обработка

1.2 Упрочнение нанесением износостойких покрытий

1.3 Анализ и выбор оптимального метода обработки

2. Методика проведения экспериментов

2.1 Методика нанесения износостойких покрытий на прецизионный твердосплавный инструмент

2.1.1 Методика испытания мелкоразмерных твердосплавных сверл

2.2 Методика применения пакета программ Elmer

2.2.1.Краткий обзор Elmer

2.2.2 Предварительный анализ параметров сетчатого электрода

2.2.3 Моделирование распространения электрических полей при помощи пакета программ Elmer

2.3 Методика нанесения покрытия на внутреннюю поверхность отверстия

2.4 Методика исследования образцов с покрытием Ti

3. Результаты исследования

3.1 Оптимизация технологии формирования покрытий на сверлах из твердого сплава

3.2 Моделирование электрических полей с помощью программы Elmer

3.3 Результаты исследования образцов с покрытием

4. Технологический процесс нанесения износостойких покрытий на прецизионный твердосплавный инструмент

5. Расчет экономической эффективности упрочнения

6. Энергосбережение

7. Технологическая инструкция

7.1 Общие сведенья

7.2 Указания мер безопасности

7.2.1 Общие указания

7.2.2.Правила электробезопасности

7.2.3 Правила термобезопасности

7.2.4 Правила пожаробезопасности

7.3 Технические требования к обрабатываемым волокам

7.4 Порядок работы комплекса оборудования для модификации волок

Заключение

Список литературы

Приложение А Зависимости распределения оптической плотности по сечению отверстия( образец 1)

Приложение Б Зависимости распределения оптической плотности по сечению отверстия( образец 1 напыленный с вращением)

Приложение В Зависимости распределения оптической плотности по сечению отверстия( образец 2 напыленный с вращением)

Приложение Г Применение пакета программ Elmer для моделирования пространственного распределения потенциала и электрических полей для волок

Введение

На данный момент особое внимание привлекает вопрос повышения производительности труда, технический прогресс, а также экономия средств и материалов.

В числе прогрессивных технологических направлений, обусловливающих и обеспечивающих научно-технический прогресс металлообработки, одно из первых мест занимают методы электрофизической обработки материалов, с каждым годом все более широко используемые в промышленности и дающие большой экономический эффект. К методам электрофизической обработки относят различные по схемному и аппаратурному оформлению и назначению методы обработки, основанные на использовании электрической энергии или специфических физических явлений, создаваемых этой энергией, для удаления материала, нанесения защитных покрытий или модификации поверхностного слоя [1]. В инструментальном производстве электрофизические методы обработки применяются в области упрочнения режущего инструмента с целью повышения его эксплуатационных характеристик. Быстрое разрушение изделий, работающих при высоких скоростях, нагрузках и температурах, к каковым относится режущий инструмент, требует разработки и внедрения в производство новых методов упрочнения [2].

К традиционным способам повышения стойкости относится как поверхностная термообработка, так и различные диффузионные и другие химико-термические способы обработки, нанесение покрытий, наплавка и другие способы, но в ряде случаев они не всегда обеспечивают необходимую износостойкость или неприемлемы по другим причинам.

Наиболее широкое применение указанные способы получили для повышения износостойкости твердосплавного инструмента. Твердые сплавы, как инструментальные материалы широко и эффективно применяются в металлообработке. Достаточно отметить, что твердосплавным инструментом снимается около 70% всей стружки. Однако качественные изменения в металлообработке (появление новых труднообрабатываемых материалов, применение станков с ЧПУ, многоцелевых станков и т.д.) повышает требования к работоспособности и надежности твердосплавного инструмента. Поэтому необходимо не только создавать новые твердые сплавы с заданными свойствами, но и улучшать качество наиболее распространенных твердых сплавов [3].

Исходя из выше сказанного следует, что на данном этапе развития промышленности упрочнение твердых сплавов является актуальным и экономически обоснованным вопросом, решение которого обеспечит снижение потерь от износа и увеличит ресурс работы инструмента.

В данном проекте описаны основные методы упрочнения твердых сплавов, направленные на изменение свойств материалов, которые заключаются в изменении размеров зерна, структуры, взаимной растворимости компонентов сплава и равномерности их распределения, изменении внутренних напряжений, формировании на поверхности износостойкого покрытия.

Целью дипломного проекта является совершенствование технологии формирования износостойких покрытий на твердосплавный инструмент путем обработки импульсной плазмой.

Следует заметить, что упрочнение мелкоразмерного твердосплавного инструмента имеет ряд отличительных особенностей. В частности, при нанесении вакуумно-плазменных покрытий на мелкоразмерный инструмент по типовому технологическому процессу, при нанесении покрытия вглубь отверстия, существуют определенные трудности, поскольку считается, что покрытие в отверстие наносится на глубину, равную диаметру отверстия. Это связано с распределением электрических полей, которые препятствуют нанесению покрытия на большую глубину. Поэтому совершенствование технологии нанесения износостойких покрытий на внутреннюю поверхность отверстия, длинна которого значительно больше его диаметра, позволяет улучшить качественные и количественные характеристики наносимого покрытия, а следовательно, повысить ресурс работы инструмента и качество обработки.

Исходя из выше сказанного и поставленной цели, возникает ряд задач, требующих решения:

- произвести оценку эффективности нанесения износостойких покрытий на поверхность мелкоразмерного твердосплавного инструмента;

- произвести моделирование электрических полей, возникающих при формировании покрытий на поверхности длинномерного отверстия малого диаметра, а также при нанесении покрытия в отверстие с использованием дополнительного сетчатого электрода, установленного перед отверстием и цилиндрического электрода, помещенного внутрь отверстия;

- отработать методику проведения эксперимента для проверки проведенных расчетов;

- изучить распределение покрытия по глубине и сечению отверстия;

- отработать технологию нанесения износостойких покрытий на поверхность твердосплавного мелкоразмерного инструмента импульсно-плазменным методом.

1. Обзор литературы

1.1 Методы поверхностного упрочнения твердых сплавов

Состояние и свойства поверхностного слоя рабочих граней инструмента, в том числе и твердосплавного (вне зависимости от условий его применения), в основном определяют как стойкость инструмента при его эксплуатации, так и качество поверхности обрабатываемых деталей. Изменения в приповерхностном слое влияют и на объемные и прочностные свойства материала в целом. Существенного повышения износостойкости инструмента можно добиться, целенаправленно используя высокотехнологичные физико-химические методы поверхностного упрочнения твердых сплавов, применяя как традиционные, так и новые технологические процессы. При обработке поверхности твердых сплавов происходит необратимое превращение механической, световой энергии, а также в ряде случаев, энергии заряженных частиц, в тепловую. При этом часть ее может расходоваться на снятие поверхностного слоя, часть - необратимо рассеиваться в виде тепла, а часть - переходить в поглощенную скрытую энергию и сохраняться в тонком поверхностном слое материала в виде структурных дефектов и изменений, приводящих в конечном результате к его упрочнению. Состояние модифицированных поверхностных слоев характеризуется величиной, знаком и характером распределения остаточных напряжений, изменениями в тонкой кристаллической структуре, степенью дефектности составляющих сплав фаз и др.

Исследование процессов, приводящих к улучшению пластических и прочностных свойств материалов, и оптимизация режимов упрочняющей обработки с целью получения комплекса свойств поверхности, обеспечивающих указанные характеристики, представляет большой практический интерес, поскольку подавляющее большинство современных инструментальных материалов производится с упрочненными рабочими поверхностями или нанесенными покрытиями.

Влияние методов поверхностного упрочнения на взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом носит комплексный характер.

Ряд общих факторов, характерных для большинства способов поверхностной обработки инструмента, определяет эффективность используемого метода упрочнения. К ним относятся: уменьшение коэффициента трения, сил и температуры резания, улучшение прочностных свойств материала основы, повышение твердости и теплостойкости рабочих поверхностей инструмента, снижение схватываемости рабочих поверхностей с обрабатываемым материалом и др. Для методов упрочнения, в основе которых лежит принудительное создание на рабочих гранях инструмента дополнительных вторичных структур (покрытий на основе карбидов, нитридов, оксидов металлов), к ним добавляются факторы, среди которых наиболее существенными являются: высокая прочность адгезионной связи покрытия с инструментальной основой, образование за счет покрытия барьера для взаимного растворения обрабатываемого и инструментального материалов, предохранение инструментальной основы от влияния высоких температур резания за счет теплоизоляционного эффекта покрытий и пр.

Таким образом, выбор метода поверхностного упрочнения инструмента, в том числе и твердосплавного, условий и режимов его реализации с целью повышения его эксплуатационных характеристик представляет собой многофакторную задачу, при решении которой первостепенную важность и значимость приобретает вопрос рационального сочетания режимов эксплуатации инструмента с режимами его упрочняющей обработки, обеспечивающий оптимальный комплекс свойств поверхности, участвующей в контактном взаимодействии при резании[4].

К настоящему времени исследованы до определенной степени полноты следующие методы поверхностного упрочнения твердых сплавов, приводящие к улучшению свойств металлообрабатывающего инструмента, изготовленного на их основе:

- ультразвуковая обработка;

- алмазное шлифование;

- вибрационная обработка;

- дробеструйная обработка;

- термовибрационная обработка;

- лазерное воздействие;

- нанесение тонких износостойких покрытий из тугоплавких соединений;

- облучение пучком заряженных частиц

- воздействием источников КПЭ и др.

За счет поверхностного упрочнения, как правило, достигается заметное повышение работоспособности режущих инструментов, выражающееся, прежде всего, в увеличении их стойкости и возможности интенсификации процесса резания.

Различие природы источников, действующих на поверхность твердых сплавов, приводит к различной, в ряде случаев существенно, доле поглощенной энергии в тонком поверхностном слое материала. В силу этого меняется количественная сторона явлений, обусловленных действием известных способов поверхностной обработки[4].

Рассмотрим наиболее распространенные способы упрочнения.

1.1.1 Абразивная алмазная обработка

Абразивная обработка твердых сплавов алмазным инструментом является перспективным методом, приводящим к максимальному упрочнению их поверхности. Прочность и долговечность твердосплавных изделий, подвергнутых поверхностному пластическому деформированию, определяется качеством поверхностного слоя, характеризующегося показателями макро- и микрогеометрии поверхности, а также механическими, химическими и физическими свойствами поверхностных слоев.

При абразивной обработке на состояние поверхностного слоя помимо механического усилия влияет локальная температура [5, 6]. Действие сил на поверхность вызывает необратимые пластические деформации, структурные изменения и фазовые превращения, сопровождающиеся увеличением удельного объема, приводящим к образованию остаточных напряжений сжатия, повышению твердости, прочности и пр., т.е. происходит процесс упрочнения.

Благодаря таким особенностям алмазов, как высокая твердость, низкий коэффициент трения, большая протяженность режущих кромок и их заостренность, алмазное шлифование отличается от шлифования обычным абразивом меньшими усилиями резания и более низкими температурами в зоне резания. В результате в поверхностном слое твердых сплавов W-Со, как правило, возникают остаточные напряжения сжатия, ориентированные в плоскости шлифования [5, 7, 8]. Уровень напряжений в фазах определяется силовым (или механическим) фактором: знак их одинаков в обеих фазах, а величина зависит от режимов шлифования и характеристик шлифовального круга и составляет ~ (100-200) кГ/мм2 в карбидной фазе, а в Со-фазе в 1,5-2,0 раза меньше ~ (60-140) кГ/мм2. В исходном состоянии после спекания сплава остаточные напряжения либо совсем не выявляются, либо оказываются небольшими сжимающими в карбидной фазе (~20 кГ/мм2) и растягивающими в Со-фазе (~40-60 кГ/мм2) [5, 8].

Возникновение в сплаве остаточных напряжений сжатия объясняется следующим образом [9]. При шлифовании в результате пластической деформации некоторая часть Со-фазы переходит из ГЦК-модификации в гексагональную. Усадка в этом случае составляет 0,3-0,4%. Но так как степень перехода в поверхностном слое не превышает в среднем 50%, то величина усадки будет меньше. Напряжения сжатия возникают в результате компенсации усадки пластической деформацией.

Величина остаточных напряжений, глубина их распространения существенно зависят от способа и режимов обработки, типа и характеристик алмазного инструмента [5, 6, 10]. Как правило, в пределах слоя глубиной ~(10-20) мкм значения сжимающих остаточных напряжений в WС и Со уменьшаются до нуля, переходят в растягивающие и приближаются постепенно к исходным (рисунок 1) [5, 6].

Рисунок 1 - Распределение остаточных напряжений по глубине сплава ВК6 после алмазного шлифования

Глубина напряженного слоя составляет ~ (40-80) мкм. Это в несколько раз больше высоты изношенной части режущей кромки инструмента, поэтому закономерна взаимосвязь величины и характера износа инструмента с напряженным состоянием зоны после шлифования.

Износ режущей кромки инструмента существенным образом зависит от вида и условий заточки (алмазной или абразивной) в процессе его изготовления. После алмазной обработки в поверхностном слое возникают остаточные сжимающие напряжения. Как следствие режущая кромка остается острой, без сколов и выкрашиваний даже при значительном износе. Лучшая исходная острота и более благоприятное напряженное состояние кромки после алмазной обработки способствуют снижению тепловыделения и усилий резания и приводят к тому, что как на начальной, так и более поздних стадия износа степень термического и механического воздействия на интенсивность и величину износа оказывается меньшей, чем при заточке абразивными кругами, когда в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения.

Влияние режимов шлифования на твердый сплав во многом зависит от содержания в нем кобальта и дисперсности кобальтовых прослоек. Увеличение пластичной связующей фазы в сплаве приводит к изменению взаимодействия шлифовального круга с обрабатываемым материалом, вследствие чего возрастает температура на поверхности контакта. Кроме того, уменьшение связности (т.е. среднего числа межкарбидных контактов, приходящихся на одно зерно карбида) карбидного каркаса вызывает снижение теплопроводности твердого сплава. Следовательно, различные режимы шлифования будут неодинаково воздействовать на твердый сплав с низким или высоким содержанием кобальта. Это подтверждается результатами экспериментов по измерению величины и распределения остаточных напряжений в твердых сплавах различных марок после алмазного шлифования [7].

Процесс упрочнения при алмазном шлифовании в большой степени связан с характеристиками тонкой кристаллической структуры фазовых составляющих сплавов. Исходя из общих представлений о физической природе упрочнения, как о процессе создания препятствий для движения дислокаций, можно считать, что упрочнение в процессе пластической деформации определяется главным образом взаимодействием дислокаций, приводящим к таким изменениям в структуре, при которых их движение становится затруднительным.

Величина и характер распределения остаточных напряжений сжатия являются определяющими при алмазном шлифовании. Их изменение хорошо согласуется с изменением прочностных характеристик. Так, создание в поверхностном слое сжимающих напряжений способствует перемещению очага разрушения в более глубокие от поверхности, менее нагруженные слои, что приводит к увеличению прочности и долговечности. Плоское алмазное шлифование твердых сплавов при оптимальных для данной марки сплава и характеристик алмазного круга режимах обеспечивает значительное повышение указанных характеристик: предел прочности при изгибе и ударная вязкость увеличиваются на 20-50%, а долговечность при гармоническом нагружении - более чем на порядок.

Повышению прочностных характеристик при алмазном шлифовании способствует силовой фактор. Отрицательная роль теплового фактора проявляется не из-за "теплового удара", а вследствие неоднородной термопластической деформации поверхностного слоя при шлифовании. В целом увеличение износостойкости твердосплавного режущего инструмента после алмазной обработки составляет в среднем 1,3 раза [11].

1.1.2 Вибро- и дробеструйная обработки

Хорошие результаты в повышении эксплуатационных характеристик твердосплавного инструмента, который разрушается в значительной мере в результате усталостных явлений, обеспечиваются методами поверхностного пластического деформирования(ППД): дробеструйное [10,11, 12, 13,14, 15] и вибрационной [10, 11, 16, 17] обработкой. Дробеструйное упрочнение резцов значительно уменьшает число их поломок и в 2,0-2,5 раза повышает суммарную стойкость инструмента. Вибрационной обработке подвергаются, как правило, сплавы, применяемые в горнодобывающей промышленности. Наиболее эффективной является виброабразивная обработка с последующим упрочнением в среде, где в качестве наполнителя используются твердосплавные шарики [17]. Эффект упрочнение в этом случае связан с пластической деформацией составляющих сплав фаз и внесением сжимающих напряжений. Важным преимуществом вибрационной обработки является разнонаправленность удара упрочняющего агента, что делает возможным равномерное упрочнение изделий сложной формы.

Рентгенографические исследования поверхностного слоя сплавов ВК6 и ВК20 после дробеструйной обработки покатали существенные изменения в структуре карбидной и кобальтовой фаз, которые распространяются на глубину до ~0,25 мм [13]. В Со-фазе растягивающие напряжения ~0,02 ГПа, возникающие при спекании твердого сплава, уступают место напряжениям сжатия ~0,04 ГПа. В карбидной фазе величина исходных сжимающих напряжений резко увеличивается с (0,02-0,03) ГПа до 0,12 ГПа, т.е. дробеструйное упрочнение вызывает наибольшие изменения в карбидной фазе сплавов. Величина наведенных остаточных напряжений зависит от твердости частиц, используемых при обдувке, а именно, повышается с увеличением твердости частиц по Виккерсу (в последовательности SiO2 , сталь, Al2O3) [18].

В результате вибрационной обработки в карбидной фазе сплавов ВК6, ВК11В, ВК25 также возникают значительные напряжения сжатия [19]. После 1 часа обработки сплава ВК8 величина микронапряжений возрастает почти а два раза и достигает значений (0,1 - 0,11) ГПа, при этом соответственно растет величина уизг. с ~160х107 до ~220х107Па.

Для режимов вибрационной обработки, характеризующихся большим временем обработки, остаточные сжимающие напряжения для сплавов ВК6. ВК8В, ВК15 достигают величины ~1.4 ГПа после 4 часов обработки и распространяются на глубину ~(0,1 -0,15) мм. Зафиксированное изменение напряженного состояния поверхностного слоя сплавов обусловлено главным образом структурными изменениями.

Эффект дробеструйного упрочнения твердых сплавов наряду с изменением макронапряжений в поверхностном слое в значительной степени связан с изменением тонкой структуры кобальта и карбида вольфрама (рисунок 2.1, рисунок 2.2). В этом случае размеры блоков уменьшаются в WC-фазе в 10-14 раз, в Со-фазе - ~2 раза, микронапряжения в WC -фазе возрастают в 9-10 раз, в Со-фазе - ~2 раза [13]. Аналогичные явления зафиксированы в WC -фазе сплавов ВК6, ВК15 после их вибрационной обработки [20].

В отличие от алмазного шлифования виброобработка оказывает более сильное воздействие на микроискажения решетки и меньшее на дробление блоков мозаики. Как вибрационная, так и дробеструйная обработки, проведенные по оптимальным режимам, обеспечивающим максимальную степень упрочнения сплавов, приводят к росту их механических характеристик.

Использование этих методов ППД повышает статическую и динамическую прочность сплавов. Величина этого повышения определяется характером и режимом обработки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эффективность упрочнения во многом зависит от исходного состояния поверхностного слоя твердых сплавов, чем и объясняется наряду с различиями в режимах обработки разброс в данных по повышению их прочностных характеристик. Особенно существенное влияние на эффективность упрочнения оказывает уровень поверхностных остаточных напряжений растяжения твердосплавных изделий в состоянии поставки. Чем больше их величина, тем более значительно влияние упрочнения на эксплуатационные характеристики твердых сплавов[4].

Улучшение эксплуатационных характеристик твердосплавного режущего инструмента после упрочнения методами ППД обусловлено повышением их прочностных характеристик. В частности, повышение сопротивления поверхностного слоя твердого сплава хрупкому разрушению после обработки дробью, можно объяснить, если учесть, что в процессе резания разрушение начинается на передней поверхности инструмента под действием растягивающих напряжений [13,14]. Трещины, зарождаясь в кобальте, где появляются остаточные напряжения растяжения [21], распространяются через карбидные зерна в кобальтовые прослойки. После обработки растягивающие напряжения в кобальте заменяются сжимающими, что препятствует возникновению трещины; увеличение сжимающих напряжений в карбидах затрудняет дальнейшее распространение трещины через карбиды.

Степень упрочнения и повышение прочностных характеристик твердых сплавов в случае их обработки методами ППД объясняется наклепом поверхностного слоя и созданием в нем остаточных напряжений сжатия. При этом глубина упрочненного слоя и распределение остаточных напряжений определяются режимами обработки[4].

1.1.3 Обработка ультразвуком

Основные особенности воздействия ультразвуковых колебаний на свойства твердых сплавов в зависимости от способа и режимов обработки поверхности определяются специфической природой данного метода упрочняющей обработки и наиболее существенные из них состоят в том, что переменные напряжения различной частоты и амплитуды оказывают влияние на микроструктуру сплавов, макро- и микронапряжения, углы разориентировки блоков мозаики, плотность дислокаций, распад пересыщенных твердых растворов, при этом ультразвуковой метод обработки твердых сплавов отличается отсутствием высоких температур в зоне обработки. При ультразвуковом воздействии изменениям подвержены как карбидная, так и кобальтовая фазы сплава [22, 23, 24, 25, 26, 27, 28].

Структура и механические свойства твердых сплавов промышленных марок (ВК6, ВК15) сложным образом зависят от условий воздействия ультразвука (в основном, от продолжительности обработки). Это позволяет предположить, что часть изменений в структуре материала характеризует упрочняющее действие УЗ-колебаний, а часть - разупрочняющее. К упрочняющим характеристикам относятся: "...изменение напряжений 1-рода в WC- и Со-фазах, напряжений I-рода и размеров блоков мозаики в WC- и Со-фазах, перераспределение дислокаций и вакансий по объему материала, не сопровождающееся значительной релаксацией внутренних напряжений, создание полей упругих искажений в зернах сплава" [25]. Это не совсем точно, т.к. прочностные свойства сплавов, а значит и стойкостные характеристики инструмента, определяются не столько изменением величины напряжений I рода, сколько ее абсолютным значением и знаком, не столько изменением размеров блоков мозаики, сколько их уменьшением. Перераспределение дислокаций и вакансий также незначительно характеризует степень упрочнения материала. Здесь наиболее важно знать и учитывать величину плотности дефектов в кристаллической структуре сплавов.

К разупрочняющим характеристикам относятся: создание в твердом сплаве сети микротрещин, являющихся зародышами разрушающей трещины; развитие и рост во время обработки уже существующих микротрещин.

Свойства сплавов после упрочнения будут определяться тем, какие из указанных факторов будут преобладать на данном этапе обработки УЗ- колебаниями[4].

Исследование прочностных свойств (а именно: уизг.) сплавов с различным содержанием кобальта (ВК6, ВК15) выявило циклическое изменение прочности на изгиб в зависимости от длительности УЗ-обработки (фвозд) (рисунок 3) [26]. Скорее всего, это обусловлено многообразием факторов, характеризующих действие УЗ-колебаний на материал.

Рисунок 3 - Зависимость предела прочности при изгибе от продолжительности УЗ-обработки( f=23кГц, Д=3-5 мкм)

После УЗ-обработки в течение 5 мин сплав ВК6 приближается по прочности к некоторым образцам сплава ВК15, необработанным ультразвуком, а прочность сплава ВК15 превышает прочность необработанного ультразвуком сплава ВК20 [23, 26]. Следовательно, применив УЗ - обработку к среднекобальтовым сплавам, можно повысить их прочностные свойства до уровня некоторых высококобальтовых сплавов с одновременным сохранением режущих свойств. Это особенно важно при эксплуатации твердосплавного инструмента, используемого для черновой обработки материалов, применяемого для оснащения буровых коронок и штампов.

Одним из возможных механизмов увеличения прочности при изгибе твердых сплавов после УЗ-обработки (амплитуда УЗ-колебаний А=6-8 мкм, частота f=22-24 кГц, статическая нагрузка уст.=200 МПа) при малых длительностях "озвучивания" (120-180) с на 15...30% (в зависимости от марки сплава) и микротвердости на (1000... 1500) МПа является объемный наклеп сплава. Наблюдаемый наклеп цементирующей связки вызывает в поверхностных зонах образцов сжимающие напряжения как в Со-, так и в WC-фазах, что увеличивает прочность кобальтовой связки и силу сцепления зерен WC и Со в твердом сплаве.

Уменьшение растягивающих напряжений в кобальте обусловлено пластической деформацией как связки, так и карбидного каркаса [27]. Отличительной особенностью процесса пластической деформации зерен WC при УЗ-обработке является интенсивное развитие множественного скольжения, которому способствует высокая скорость деформации. Причем количество зерен WC с признаками пластической деформации может составлять до 80% [29].

Объемный наклеп твердосплавных изделий под влиянием совместных статического и ультразвукового воздействий приводит к увеличению напряжений сжатия в WC-фазе (для сплава ВК20 с (100-200) МПа до (500-600) МПа при фвозд. до 120 с) и снижению растягивающих напряжений в цементирующей связке (при фвозд до 120 с уост. Со в сплаве ВК20 уменьшаются с 200-300 МПа до 100-150 МПа) [27]. Изменение напряженного состояния компонент сплава ведет к повышению энергии, необходимой для роста и распространения разрушающей трещины, возникающей на поверхности рабочей части инструмента при его эксплуатации. Следовательно, разрушение обработанного изделия начнется при напряжениях более высоких, чем необработанного. Указанные эффекты, в основном, и определяют изменение прочностных характеристик сплавов после обработки. Прочность при изгибе твердосплавных изделий, обработанных механическими колебаниями ультразвуковой частоты, увеличивается на 15-30% (в зависимости от марки сплава), микротвердость ~ на 1000-1500 МПа. УЗ-обработка продолжительностью более 180 с вызывает снижение прочностных характеристик малокобальтовых твердых сплавов.

Введение в зону резания ультразвука сопровождается структурно-термической активацией контактных поверхностей, повышением их энергетического состояния и реакционной способности и в итоге интенсифицирует формирование в зоне контакта прочных окисных и адсорбционных пленок. Последние препятствуют выходу дислокаций в зону контакта и, таким образом, оказывают экранирующее действие на адгезионные процессы. Коэффициент трения и молекулярная составляющая коэффициента трения в диапазоне амплитуд УЗ- колебаний 4…6 мкм уменьшаются почти в два раза. Наблюдается резкое снижение износа режущего инструмента, уменьшение сил резания, улучшение микрогеометрии обработанной поверхности[4].

1.1.4 Радиационная обработка

Наряду с известными способами поверхностной обработки твердых сплавов в последние годы развиваются научные основы радиационной обработки, где в качестве источника излучения используются потоки электронов [30], ионов [31], протонов [32, 33], б-частиц [33] или г-квантов [34] различной интенсивности. Этот способ модификации поверхности твердых сплавов, также как и ранее описанные способы упрочняющей обработки, предоставляет определенные возможности по изменению структуры материала и его физико-механических характеристик, которые приводят к улучшению эксплуатационных показателей работоспособности инструмента на их основе.

Коэффициент стойкости инструмента после радиационной обработки может увеличиваться в несколько раз, при этом размер и состояние поверхности упрочненного изделия остаются неизменными. В случае использования слаботочных электронных пучков высокой энергии (1,5-5,0) Мэв, проникающих на сравнительно большие глубины, упрочняется большой объем материала. В этом случае возможна многократная переточка упрочненного инструмента, что выгодно отличает радиационную обработку от других методов, обеспечивающих упрочнение лишь поверхностного слоя.

Физические механизмы радиационного упрочнения твердых сплавов до сих пор до конца не выяснены, хотя и исследуются достаточно интенсивно [30, 31, 32, 33]. Одной из основных причин существующих разногласий по поводу механизмов упрочнения твердых сплавов при ионизирующем облучении является отсутствие четкого разделения радиационного и термического вкладов в структурно-фазовые превращения и сопутствующие им процессы. К числу возможных радиационно-стимулированных процессов, оказывающих существенное влияние на структурно-фазовое состояние сплавов, можно отнести:

- процессы радиационно-усиленной диффузии,

- перераспределение компонентов сплава за счет эффекта радиационно-индуцированной сегрегации,

- увеличение растворимости WC в кобальте, вызванное повышением свободной энергии карбида при его разупрочнении или динамическими эффектами,

- растворение и повторное выделение мелкодисперсных частиц карбида вольфрама в кобальте,

- изменение состояния границы раздела WC-WC и WC-Со за счет растворения карбидов в кобальте и радиационного перемешивания,

- радиационно-стимулированное залечивание существующих микротрещин.

При исследовании и разработке технологий радиационного упрочнения твердых сплавов в случае использования импульсного облучения ионными или электронными пучками высокой плотности роль теплового воздействия достаточно велика. В этом случае поверхностные слои материала могут нагреваться вплоть до температуры плавления. Высокотемпературный кратковременный нагрев вызывает дополнительное растворение карбидов вольфрама в кобальте, уменьшение связности и смежности зерен WC и сопровождается возникновением больших температурных градиентов. Поэтому, при последующем быстром охлаждении структура приповерхностных слоев сплава становится неравновесной и характеризуется высоким уровнем закалочных макронапряжений, вызванных не только межфазовыми напряжениями из-за различия температурных коэффициентов расширения карбидов и кобальтовой связки, но и чисто термическими напряжениями. При ионном облучении ситуация усугубляется введением в приповерхностный слой имплантированных ионов.

В силу указанных выше причин при радиационной обработке твердых сплавов весьма сложны и разнообразны структурные изменения в материале, подвергнутом облучению, очень резко выражена зависимость свойств сплавов и их физико-механических характеристик от величины дозы облучения.

Применяя в качестве способа обработки твердых сплавов радиационное облучение (воздействие потоком г-квантов), регулируя величину потока облучения и энергию квантов, можно изменять количественную и качественную сторону твердофазных реакций на границе фаз в исследуемой гетерогенной системе, оказывать существенное влияние на прочностные свойства сплавов и соответствующих его компонент, эксплуатационные свойства инструмента на их основе[4].

Для твердых сплавов группы ВК после радиационного облучения г-квантами изменение пределов прочности на сжатие усж. и изгиб уизг. в зависимости от флюенса (Ф) носит осциллирующий характер (рисунок 4а, б)[34].

Данное обстоятельство объясняется тем, что конкретное значение величины дозы облучения вызывает, в зависимости от термодинамического потенциала композиционного материала, процессы, приводящие к упорядочению или разупорядочению структуры (что можно интерпретировать как уменьшение свободной энергии Гиббса или ее повышение).

Рисунок 4 - Зависимость предела прочности твердого сплава на сжатие(а), на изгиб(б) от величины флюенса гамма-квантов

Это обуславливается неоднородностью геометрического и физического исходного состояния порошков компонентов твердого сплава, несовершенством технологии спекания и охлаждения.

Степень дефектности составляющих сплав фаз после облучения в основном определяет изменения в структуре вольфрамокобальтовых сплавов, а именно: протекание процессов упорядочения и разупорядочения в их кристаллической структуре, от которых зависит циклическое поведение прочностных характеристик при радиационном облучении.

Избирательное взаимодействие примесных атомов, находящихся в составе кобальта, с вакансиями, дислокациями, границами зерен, междоузельными атомами и т.д., вызываемое г-облучением, существенным образом может изменить термодинамические и кинетические свойства рассматриваемой системы. Причем эти изменения могут вести как к уменьшению свободной энергии в твердом теле, так и к повышению. Другими словами, в зависимости от исходного состояния кобальта радиационное облучение может вызвать как его упрочнение, так и разупрочнение. Разупрочнение сопровождается релаксацией внутренних напряжений, объемными напряжениями при переходе ГЦК-решетки в ГПУ и другими изменениями физических свойств.

Упрочнение характеризуется увеличением пределов текучести, прочности, твердости, изменением магнитных свойств, внутреннего трения и ряда других свойств. Фрактография изломов существенно отличается для облученных и контрольных кобальтовых образцов по ориентации поверхности разрушения, макрогеометрии, степени пластической деформации и т.д.

Радиационное облучение приводит к тому, что поверхность излома характеризуется наличием волокон, образующихся при пластической деформации в процессе разрушения. Обнаруженная слоистость является признаком анизотропии механических свойств и связана со структурной неоднородностью материала.

Кроме явлений в кобальте, на упрочнение при радиационном облучении большое влияние оказывают процессы стимулированной диффузии углерода в карбидных зернах и диффузии в области рассосредоточения микротрещин. Последнее обстоятельство снижает микронапряжения в вершине трещин, а в некоторых случаях способствует их залечиванию. В итоге в структуре кристаллов снижается плотность точечных дефектов, повышается степень их стехиометрии [4].

Испытания на износостойкость при резании облученными твердосплавными резцами стали 12Х18Н10Т показывают аналогичный (осциллирующий) характер изменения зависимости износостойкости от флюенса г-квантов, как и при механических испытаниях [36]. Максимальную стойкость при резании на высоких скоростях (v=100-150 м/мин) имеют резцы из сплавов ВК4 и ВК8, получившие дозу радиационного облучения, соответствующую максимумам при исследовании на сжатие, а при низких скоростях резания (v=50-80 м/мин) наибольшая стойкость наблюдалась при дозах, коррелирующих со значениями экстремумов, наблюдавшихся при испытаниях на изгиб.

Итак, радиационное облучение потоком г-квантов твердосплавных инструментальных материалов приводит к следующим изменениям их структуры и свойств:

- наблюдается осциллирующее изменение механических характеристик сплавов, причем воздействие радиации стабилизирует свойства материалов;

- с помощью облучения имеется возможность создать условия оптимального контактного взаимодействия твердых сплавов с обрабатываемым материалом, изменяя в инструменте напряженное состояние. В частности, можно получить такое напряженное состояние в компонентах сплава, что оно приводит к повышению его прочности на изгиб;

- с повышением дозы облучения увеличивается степень стехиометрии порошка карбида вольфрама, уменьшается дефектность структуры, снижаются микронапряжения в вершине трещин, увеличивается общая адгезионная прочность сцепления составляющих компонент в сплаве;

- для различных условий эксплуатации облученных твердосплавных резцов максимальные значения стойкостных параметров наблюдаются при дозах радиационного облучения, коррелирующих с экстремумами, зафиксированными либо при испытаниях на сжатие (для высоких скоростей резания), либо на изгиб (для низких скоростей резания).

Отличительной особенностью процесса радиационного модифицирования поверхности твердых сплавов является необходимость эксплуатации упрочненного инструмента при конкретных режимах резания, что в первую очередь обусловлено изменением механизма изнашивания в зоне контакта при смене режима нагружения и необходимостью согласования наведенных структурных изменений с характером износа; а во-вторых - немонотонностью изменения прочностных характеристик сплавов в зависимости от дозы радиационного облучения. В такой ситуации первостепенное значение приобретает вопрос о рациональном сочетании условий облучения и условий эксплуатации облученного инструмента с целью повышения его характеристик[4].

1.1.5 Магнитно-алмазное полирование

Одним из альтернативных способов повышения работоспособности твердосплавного инструмента является магнитно-алмазное полирование (МАП). Наиболее известные схемы реализации магнитно-абразивного процесса подробно представлены и детально описаны в [35]. Характерной его особенностью является возможность удаления тонкого поверхностного слоя, содержащего дефекты, образовавшиеся на предыдущих операциях.

Использование МАП для обработки твердосплавных метчиков позволяет достигать шероховатости Ra поверхностей профиля резьбы метчика не более 0,02-0,04 мкм, что способствует снижению крутящего момента при резьбонарезании [36]. Равномерность шероховатости на всей обрабатываемой поверхности обеспечивается правильным проведением процесса, соблюдением всех необходимых технологических режимов и требований.

В процессе магнитно-алмазного полирования отсутствуют высокие температуры, способные вызвать прижоги и другие негативные изменения структуры приповерхностного слоя. МАП обладает упрочняющим действием в результате образования в приповерхностном слое сжимающих остаточных напряжений [35, 37], скругления режущих кромок инструмента [38], удаления на них концентраторов напряжений. Важной стороной МАП является возможность одновременного затыловывания зубьев ведущей калибрующей части метчика [39], что позволяет без дополнительных затрат повысить точность резьбонарезания. Для метчиков с пластинами из твердого сплава ВК8, обработанных в магнитном поле, стойкость увеличивается на 50-90% при нарезании резьбы в деталях из ковкого чугуна КЧЗО-6. Упрочнение проводилось в магнитном поле с индуктивностью 1Тл с подачей абразивного порошка, включающего алмазы и частицы железа. Скорость резания 10…25м/мин, длина отверстия13,5…30 мм (рисунок 5). После нарезания резьбы в 5000 отверстиях на метчиках, прошедших МАП, в 1,5…1,8 раза меньше выкрашивание и в 3 раза меньше сколов длиной 0,2…0,8 мм, чем на серийных.

Рисунок 5 - Зависимость износа по задней поверхности неполированного метчика(1) и метчика, прошедшего МАП(2), от количества нарезанных отверстий при обработке деталей из чугуна КЧ30-6

Результаты исследования свидетельствуют о перспективности применения магнитно-абразивного полирования для обеспечения стабильной точности резьбонарезания и снижен расход твердосплавных метчиков[4].

1.1.6 Лазерное упрочнение

Среди существующих методов поверхностной обработки большой интерес представляет упрочнение твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама и кобальта лазерным излучением.

Современные исследования показывают[40], что после упрочнения микротвердость поверхностного слоя увеличивается до 35 ГПа. Это объясняется образованием карбидов типа W2C, твердость которых выше чем WC (на 10-14 ГПа). При этом изменяется тонкая структура и состав связующего сплава.

Если плотность энергии не превышает 80 Дж/см2, то происходит насыщение связки продуктами деструкции монокарбида WC. При плотности энергии 80-100 Дж/см2 образуются сложные карбиды C03W3C, которые разупрочняют сплав вследствие уменьшения содержания в связке металлического кобальта. При плотности энергии 140-280 Дж/см2 в связующем слое появляются сложные карбиды с нарушенной стехиометрией (типа CoxWyCz), а также заметно увеличивается количество полукарбидов W2C и кубического карбида WC.

Для повышения износостойкости твердых сплавов с содержанием кобальта 3-6 % плотность энергии не должна превышать 80 Дж/см2, для сплавов с содержанием кобальта 6-8 и 10 % она должна быть соответственно 100 и 120 Дж/см2.

При низкоэнергетическом облучении агрегатное состояние сплава практически не изменяется.

Установлено, что способность твердого сплава к образованию трещин в значительной мере зависит от количества кобальтовой связки и возможности измельчения карбидных зерен. Продуктами разложения монокарбида WC являются гранецентрированные карбиды WC, двойные карбиды W2C и т.д., которые обогащают связующий слой кобальта и отрицательно влияют на прочность сплава[40].

Исследование влияния импульсно-лазерной обработки сплавов типа ВК[41], на изменение их механических и физических свойств, а также работоспособности показали, что свойства упрочненного твердого сплава изменяются во времени.

Непосредственно после упрочнения твердость возрастает на 4 - 6 кг/мм2 х102 , затем падает в течение 6-и суток, достигает на 10-14 сутки своего максимума (выше первоначального значения на 8 - 10 кг/мм2 х102 ), после чего падает ниже исходной твердости и затем стабилизируется на 90 - 100 сутки (на 1 - 2 кг/мм2х102 выше начальной величины, рисунок 6).

Увеличивается также во времени и коэрцитивная сила материала в пределах 10 - 25%, на 20 - 25 сутки. Был зарегистрирован рост внутреннего трения в упрочненных образцах на 25 - 30%. Установлена тенденция к увеличению плотности твердого сплава на 0,1 - 0,15%. При помощи электронной микроскопии замечено изменение дисперсности карбидной фазы в результате импульсного воздействия (рисунок 7)[41].

Приведенные данные свидетельствуют об изменении напряженного состояния, кристаллического строения и фазового состава твердого сплава после ИЛО.

Известно[42], что на работоспособность твердосплавного инструмента влияет химический состав материала, его зернистость, гранулометрический состав, структура, пористость, соотношение и характер распределения фаз, напряженное состояние.

Структура твердого сплава представляет собой два взаимно пронизывающих скелета - карбидного и кобальтовой связки. Свойства такого каркасного материала в значительной мере зависят от толщины прослоек цементирующей фазы, которая, в свою очередь, обусловлена зернистостью карбидов.

При выборе марки твердого сплава лимитирующими являются значения его прочности. Так, при содержании кобальта в твердом сплаве в количестве 8% асж достигает своего максимального значения (5000 МПа) при среднем размере зерна d=1,6мкм (при d=5,3мкм - 3500 МПа). При тех же размерах зерен твердость твердых сплавов также достигает максимума (HV=14 ГПа)[41].

Рисунок 6- График изменения микротвердости твердого сплава после ИЛО

до ИЛО после ИЛО

Рисунок 7 - Зернистость твердого сплава ВК8, х2000

Существенную роль в способности твердого сплава сопротивляться деформации играет напряженное состояние как карбидной, так и кобальтовой фаз. В частности, растягивающие напряжения, возникающие при охлаждении в связке, могут привести к разрушению твердого сплава даже при незначительных изгибающих нагрузках.

Упрочнение твердых сплавов поверхностной обработкой (дробеструйная, вибрационная, алмазная и др.), изменяющей напряженное состояние карбидной фазы поверхностного слоя, происходит вследствие возникновения микроискажений решетки карбидной фазы, а также частичного перехода кристаллической решетки кобальта из кубической б-модификации к гексагональной в-модификации. При этом увеличиваются прочностные характеристики, свойства сплава стабилизируются, а стойкость твердосплавных матриц возрастает в 2 раза[42].

Многочисленные работы по исследованию твердых сплавов показали,

что причиной зарождения микротрещин в материале являются поры как концентраторы напряжений. При традиционной технологии получения твердого сплава пористость составляет до 5%. Существующие способы производства беспористых твердых сплавов (импульсное, магнитно-импульсное прессование) имеют низкую производительность, сложное оборудование и трудность автоматизации. Упомянутое выше увеличение плотности твердого сплава при импульсной лазерной обработке говорит о возможности уменьшения пористости материала, что должно обеспечить лучшие надежность и безотказность работы инструмента.

Таким образом, вышеописанные данные, говорят о потенциале импульсно-лазерной объемной обработки, как эффективном способе модификации твердых сплавов. Таким видом упрочнения можно в широких пределах изменять параметры твердого сплава, (зернистость, фазовый состав, пористость, напряженное состояние, плотность), влияющие на его эксплуатационные свойства[41].

Более детальное изучение и оптимизация технологии импульсно-лазерного упрочнения твердого сплава позволит повысить эффективность процесса и будет способствовать его широкому применению в производстве.

1.1.7 Плазменно-детонационное упрочнение

В настоящее отмечена высокая эффективность упрочнения различных сплавов, модифицирования их поверхности с использованием концентрированных потоков энергии.

Наиболее существенной особенностью такого упрочнения является высокая скорость нагрева и охлаждения, что значительно влияет на структуру и свойства исходного материала. Большой интерес представляет упрочнение твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрама и кобальта. К наиболее известным и эффективным методам обработки твердых сплавов относят также упрочнение взрывом.

Применение плазменно-детонационной обработки является более эффективным, поскольку на материал одновременно оказывается термохимическое и термомеханическое воздействие[40], в результате реализуются большие скорости нагрева и охлаждения, а также происходит нагрев внутренних слоёв материала вследствие распространения тепловой волны и после окончания импульса, что повышает эффективность обработки поверхности при использовании серии импульсов.

Обработка поверхности импульсной плазмой более эффективна, чем обработка непрерывным потоком плазмы, что, по-видимому, обусловлено большей на 1-2 порядка скоростью нагрева и охлаждения, а также воздействием электромагнитных и ударных волн. Нагрев внутренних слоев материала изделия продолжается вследствие распространения тепловой волны и после окончания импульса, что повышает эффективность обработки поверхности изделий серией чередующихся импульсов [40].

Рассмотрим механизм упрочнения твердых сплавов при данном типе обработки.

1.1.7.1 Плазменное упрочнение

Перспективным направлением использования плазменной обработки в

инструментальном производстве является упрочнение инструмента из спеченных твердых сплавов, которые имеют намного выше твердость и теплостойкость по сравнению с быстрорежущими сталями. Однако эксплуатационная стойкость твердосплавного инструмента в некоторых случаях не превышает стойкость стального инструмента, что обусловлено высокой хрупкостью спеченных твердых сплавов.

Изнашивание упрочненной кромки твердосплавного инструмента при умеренных режимах резания имеет избирательный характер.

В первый момент изнашивается относительно мягкая связующая фаза, а затем постепенно выкрашиваются оголенные твердые карбидные зерна. Однако благодаря более высокой теплостойкости твердых сплавов (800--1000 °С против 620 °С для стали Р6М5) их применение более эффективно при высокой скорости резания или обработке труднообрабатываемых материалов. В этих случаях инструмент главным образом изнашивается путем хрупких микроразрушений режущей кромки. Поэтому твердый сплав должен иметь не только высокую твердость и теплостойкость, но и высокую вязкость разрушения композиции.

Технология плазменного упрочнения изучалась на режущих пластинах, представляющих собой резцы с напаянными и неперетачиваемыми пластинами из твердых сплавов систем WC--Co и WC--TiC--Co с различным содержанием карбидов и связующей фазы (таблица 1) [43].

Структура сплавов WC-Co в исходном состоянии представляет собой свободные и контактирующие частицы карбида вольфрама, погруженные в твердый раствор вольфрама и углерода в кобальте.

Сплавы WC-TiC-Co в исходном состоянии (после спекания) имеют трехфазную структуру и состоят из овальных кристаллов (Ti, W)C, образующихся в результате диффузии и растворения вольфрама, и углерода в TiC при спекании зерен карбида WC. С увеличением содержания связующей фазы исходная твердость сплава снижается[40].

Таблица 1 - Свойства твердых сплавов в исходном и упрочненном состояниях