СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОГО УПРОЧНЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ИЛИ ИЗДЕЛИЯ
METHOD FOR ELECTRON BEAM STRENGTHENING OF HARD-ALLOY TOOL OR ITEM

Изобретение относится к области упрочнения твердых сплавов инструментального назначения и может быть использовано для повышения ресурса работы инструментов, деталей машин и механизмов, работающих в условиях резания, трения и абразивного износа.
2
Известен способ повышения износостойкости твердосплавного инструмента или изделия [патент RU 2259407; C21D 9/22, 1/09; опубл. 27.08.2005] преимущественно на основе карбида титана TiC и никельхромовой связки (Ni-Cr) путем облучения рабочей поверхности твердого сплава импульсным сильноточным электронным пучком с длительностью импульсов облучения 2-3 мкс, энергией электронов 10-30 кэВ, плотностью энергии электронного пучка 4,5-5,5 Дж/см и числом импульсов облучения от 10 до 30. Указанная обработка позволяет повысить износостойкость твердого сплава почти в 2 раза.
Недостатком известного способа является модификация структурно-фазового состояния твердого сплава в очень тонком поверхностном слое (около 1 мкм), что обусловлено малой (2-3 мкс) длительностью импульсов электронно-пучкового облучения. В результате в процессе эксплуатации твердого сплава (например, при резании металла) на его рабочей поверхности происходит образование микротрещин и выкрашивание материала с модифицированной при электронно-пучковом облучении структурой.
2
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ повышения износостойкости твердосплавного инструмента или изделия [патент RU 2338798; C21D 9/22, 1/09; опубл. 20.11.2008], преимущественно на основе карбида титана TiC и никельхромовой связки (Ni-Cr), путем облучения рабочей поверхности инструмента или изделия импульсным сильноточным электронным пучком с энергией 10-30 кэВ, количеством импульсов 10-30 при плотности энергии электронного пучка 30-40 Дж/см и длительности импульсов облучения 150-200 мкс (в качестве плазмообразующего газа в плазмонаполненном катоде для получения электронного пучка используется инертный газ аргон). В результате износостойкость твердого сплава повышается более чем в 3 раза.
Недостатком известного способа является низкая термическая стабильность физических свойств поверхностного слоя твердого сплава с модифицированной структурой. Наноструктурирование поверхностного слоя при электронно-пучковом облучении почти в 1.5 раза снижает величину коэффициента трения при комнатной температуре испытания. С повышением температуры испытания вплоть до 600°C наблюдается стабильное повышение величины коэффициента трения и при 600°C величина коэффициента трения увеличивается практически до величины коэффициента трения на поверхности металлокерамического сплава в исходном состоянии (фиг.1). Последнее означает, что при повышенных температурах происходит деструкция наноструктурных состояний и разупрочнение поверхностного слоя металлокерамического сплава. Указанный недостаток является существенным, поскольку режущие кромки, например, металлорежущего инструмента, нагреваются в процессе резания металла до температур 500-700°C.
2
На фиг.1 представлены температурные зависимости величины коэффициента трения на поверхности твердого сплава TiC-(Ni-Cr) в исходном состоянии и после импульсного электронно-пучкового облучения импульсами различной длительности при плотности энергии в электронном пучке 40 Дж/см и 15 импульсах облучения.
Задачей настоящего изобретения является разработка более эффективного способа электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия, преимущественно на основе карбида титана TiC и никельхромовой связки (Ni-Cr), позволяющего формировать в поверхностном слое термически стабильную структуру и, тем самым, значительно повысить ресурс работы твердосплавного инструмента или изделия в режиме резания металла при нагреве режущей кромки.
Указанный технический результат достигается тем, что как и в известном, так и в предлагаемом способе электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия, преимущественно на основе карбида титана TiC и никельхромовой связки (Ni-Cr), проводят облучение рабочей поверхности инструмента или изделия импульсным сильноточным электронным пучком с энергией электронов 10-30 кэВ при длительности импульсов облучения 150-200 мкс и количеством импульсов 10-30.
2
Новым является то, что в качестве плазмообразующего газа в плазмонаполненном катоде установки для электронно-пучкового облучения используется азот. Другими словами, импульсное электронно-пучковое облучение твердосплавного инструмента или изделия проводят в азотсодержащей плазме газового разряда при давлении азота 0,02 - 0,03 Па, при этом плотность энергии электронного пучка составляет 50-70 Дж/см.
Сущность изобретения заключается в том, что при импульсном электронно-пучковом облучении в азотсодержащей атмосфере в поверхностном слое твердого сплава на межфазных границах раздела образуются наноразмерные частицы тугоплавких нитридов, стабилизирующие модифицированную электронно-пучковым облучением структуру поверхностного слоя твердого сплава при повышенных температурах.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг.2 представлена схема одномерной модели импульсного электронно-пучкового облучения твердого сплава TiC-(Ni-Cr) в азотсодержащей плазме газового разряда и диффузионного взаимодействия азота с поверхностным слоем облучаемого образца. Атомарный азот образует на поверхности облучаемого твердого сплава адсорбционный слой повышенной концентрации, а в поверхностном слое твердого сплава - диффузионную зону переменного состава.
2
На фиг.3 представлены расчетные зависимости содержания азота в никельхромовом связующем поверхностного слоя металлокерамического сплава к концу процесса обработки от давления азота в камере электронно-пучковой установки при различных значениях плотности энергии в электронном пучке и постоянной длительности одиночных импульсов облучения (длительность импульса облучения 200 мкс): 20 (1), 40 (2), 60 (3) Дж/см. С увеличением плотности энергии в электронном пучке и давления азота в камере содержание азота в поверхностном слое металлокерамического сплава за время одиночного импульса облучения увеличивается и тем в большей степени, чем больше плотность энергии в электронном пучке и больше давление азота в камере установки электронно-пучкового облучения. Анализ расчетных данных показывает, что за время одиночного импульса электронно-пучкового облучения при заданных параметрах облучения возможно азотирование металлического связующего поверхностного слоя металлокерамического сплава TiC-(Ni-Cr) на глубину до 5 мкм и более при содержании азота в поверхностном слое до 1,5-2,0 ат.%.
Экспериментальные исследования влияния давления азота в качестве плазмообразующего газа в плазмонаполненном катоде установки для импульсного электронно-пучкового облучения материалов показали, что оптимальное значение давления азота составляет от 0,2 до 0,3 Па (при значениях давления азота ниже и выше указанного диапазона не образуется устойчивая плазма).
2
На фиг.4 представлены микроструктуры поверхности металлокерамического сплава после импульсного электронно-пучкового облучения в аргон- (а) и азот- (б) содержащих атмосферах импульсами длительностью 200 мкс (15 импульсов) с плотностью энергии в электронном пучке 40 Дж/см (сканирующая электронная микроскопия). Установлено, что при электронно-пучковом облучении металлокерамического сплава в аргонсодержащей плазме газового разряда на поверхности металлокерамики наблюдается массовое образование микротрещин (фиг.4, а), в то время как на облученных в азотсодержащей плазме газового разряда поверхностях твердого сплава микротрещины и микрократеры отсутствуют (фиг.4, б).
2
На фиг.5 представлено электронно-микроскопическое изображение структуры поверхностного слоя твердого сплава TiC-(Ni-Cr) после импульсного электронно-пучкового облучения в азотсодержащей плазме газового разряда (50 Дж/см, 150 мкс, 15 импульсов); а - светлое поле; б - темное поле, полученное в совпадающих рефлексах [002]Ni+[102]A1N; в - микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле).
2
2
На фиг.6, для сравнения, представлено электронно-микроскопическое изображение структуры поверхностного слоя металлокерамики TiC-(Ni-Cr), подвергнутой азотированию в плазме газового разряда в течение 1 часа; а - светлое поле; б - темное поле, полученное в совпадающих рефлексах [600]TiN; в - микроэлектронограмма (стрелкой указан рефлекс, в котором получено темное поле). На (а) и (б) стрелкой указана частица TiN.
2
2
2
2
2
На фиг.7 представлены графические зависимости времени точения стали (сталь 45) до величины износа по переходной задней поверхности режущей кромки режущей пластины из твердого сплава, равного 1 мм, от длительности импульсов электронно-пучкового облучения в аргонсодержащей и азотсодержащей плазме газового разряда (стойкости пластин твердого сплава от режима электронно-пучкового облучения и состава плазмообразующего газа): кривая 1 - облучение в аргонсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 40 Дж/см и 15 импульсах облучения, 2 - облучение в азотсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 40 Дж/см и 15 импульсах облучения, 3 - облучение в азотсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 50 Дж/см и 15 импульсах облучения, 4 - облучение в азотсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 60 Дж/см и 15 импульсах облучения, 5 - облучение в азотсодержащей плазме газового разряда при плотности энергии в электронном пучке 70 Дж/см и 15 импульсах облучения.
2
Можно констатировать, что смена аргонсодержащей плазмы на азотсодержащую, при тех же параметрах электронно-пучкового облучения, которые указаны в прототипе, приводит к снижению стойкости твердосплавной режущей пластины. Повышение плотности энергии в электронном пучке до 50-70 Дж/см при облучении в азотсодержащей плазме приводит к резкому повышению стойкости режущих пластин (до более чем в 5 раз) при длительности импульсов облучения 150-200 мкс.
Изобретение осуществляется следующим образом.
-4
2
Образцы из твердого сплава TiC-(Ni-Cr) размером 12×12×4 мм с отполированной до металлографического класса чистоты поверхностью помещали в рабочую камеру установки. Для получения аргонсодержащей или азотсодержащей плазмы в полый катод установки, после откачки вакуума до 10 Па, напускали аргон или азот до давления 0,02-0,03 Па. Поверхность образцов твердого сплава облучали электронным пучком с энергией электронов 30 кэВ при плотности энергии в пучке от 40 до 70 Дж/см и длительности импульсов облучения 100, 150 и 200 мкс. После облучения исследовали микроструктуру поверхностного слоя пластин и их стойкость в режиме резания металла (сталь 45). Стойкость пластин оценивали по времени достижения критической степени изнашивания режущей кромки (1 мм).
2
2
Из таблицы видно, что при облучении твердого сплава в азотсодержащей атмосфере при плотности энергии в электронном пучке 50 Дж/см происходит резкое увеличение времени точения стали - более чем в 5 раз по сравнению со временем точения пластиной после облучения по режиму и условиям прототипа. С увеличением плотности энергии в электронном пучке до 70 Дж/см, при тех же параметрах облучения в азотсодержащей атмосфере, происходит некоторое уменьшение времени точения стали, но при этом время точения почти в 5 раз превышает время точения пластиной после облучения по режиму и условиям прототипа.