Способ упрочнения режущего инструмента из карбидсодержащих сплавов методом непрерывного лазерного воздействия
METHOD OF HARDENING CUTTING TOOL FROM CARBIDE-CONTAINING ALLOYS BY CONTINUOUS LASER ACTION

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке лазером при изготовлении и ремонте различных машин и механизмов.
Известен способ поверхностной импульсной лазерной обработки материалов (Коваленко B.C. Упрочнение деталей лучом лазера. - Киев: Техника, 1981. - 131 с.; SU 1752514 А1 07.08.1992; А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов. Основы лазерного термоупрочнения сплавов. - М.: Высшая школа, 1988, кн. 3, с. 98-102, 118-119, кн. 6, с. 106-107, 124; технология «Laser shot peening». Институт лазерной физики (г. Санкт-Петербург)), который представляет собой последовательную закалку материала изделия при облучении лазером. Основные недостатки поверхностной импульсной лазерной обработки изделий следующие:
- одновременное упрочнение нескольких поверхностей недопустимо;
- прилегающие поверхности после импульсной лазерной обработки ослаблены против действия сил хрупкого разрушения;
- процесс продолжителен во времени (за счет многократного облучения одного изделия) и требует значительных энергетических затрат;
- при износе или переточке изделия упроченный слой удаляется.
10
11
2
-6
-3
-3
Наиболее близким к заявляемому способу является способ объемного импульсного лазерного упрочнения изделий из инструментальных и конструкционных материалов, заключающийся в том, что изделие подвергают лазерной обработке с использованием лазера импульсного действия при полезной энергии импульса 60-500 Дж, плотности мощности импульса 1,2-10-4,3⋅10 Вт/м, длине волны 1,064⋅10 м и продолжительности импульса 0,8⋅10-3 с, при этом диаметр луча равен 1,2⋅10-2,5⋅10 м, а расстояние от места облучения до упрочняемой поверхности - 12-30 мм [Патент N2517632, МКИ C21D 1/09, опубл. 27.05.2014]. Недостатками известного способа являются:
- твердый сплав только группы ВК;
- относительно малая степень упрочнения режущих пластин из твердых сплавов:
- низкая стойкость режущих пластин из твердых сплавов к воздействию ударных нагрузок.
Заявляемое изобретение направлено на увеличение степени упрочнения и стойкости к воздействию ударных нагрузок.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стойкостных свойств карбидсодержащих сплавов введением карбонитрации карбидсодержащих сплавов перед непрерывным лазерным воздействием, что увеличивает стойкость карбидсодержащих сплавов.
6
2
-2
-2
-3
-3
2
3
2
3
Техническая задача решается тем, что способ упрочнения режущего инструмента из карбидсодержащих сплавов методом непрерывного лазерного воздействия, включающий лазерную обработку с использованием лазера непрерывного воздействия при плотности мощности лазерного излучения 2⋅10 Вт/м, скорости распространения лазерного луча в пределах 2⋅10±1⋅10 м/с, при этом диаметр луча от 1,5⋅10 до 2,5⋅10 м, расстояние от режущей кромки до места облучения от 1 до 1,5 мм, а перед непрерывным лазерным воздействием производят карбонитрацию в ванне карбонитрации при температуре от 540°С до 580°С в расплаве солей на основе 20% цианата калия KCNO и калия углекислого CKO - 80% поташа КСО с выдержкой в течении 30 мин.
Способ осуществляют следующим образом:
6
2
-2
-2
-3
-3
2
3
2
3
Пластины подвергают лазерной обработке с использованием лазера непрерывного воздействия при плотности мощности лазерного излучения 2⋅10 Вт/м, скорости распространения лазерного луча в пределах 2⋅10±1⋅10 м/с, при этом диаметр луча от 1,5⋅10 до 2,5⋅10 м, расстояние от режущей кромки до места облучения от 1 до 1,5 мм, а перед непрерывным лазерным воздействием производят карбонитрацию в ванне карбонитрации при температуре от 540°С до 580°С в расплаве солей на основе 20% цианата калия KCNO и калия углекислого CKO - 80% поташа КСО с выдержкой в течении 30 мин.
Суть карбонитрации или метода «жидкостного» азотирования заключают в упрочнении поверхностного слоя изделий из твердого сплава методом диффузионного насыщения азотом и углеродом в расплаве солей, синтезированных из аммоноуглеродных соединений (меламин, мелон, дициандиамид), при температуре 540-580°С. Поскольку в данном процессе предполагают одновременное насыщение, как азотом, так и углеродом, то в поверхностном слое металла образуются карбонитридные фазы, которые являются более пластичными и не имеют такой хрупкости, как чисто нитридные, получаемые при газовом азотировании.
2
3
2
3
Процесс карбонитрации производят в расплаве солей на основе 20% цианата калия KCNO и калия углекислого CKO - 80%) поташа КСО при температуре от 540°С до 580°С в течение различного времени.
6
2
-3
6
2
-3
6
2
-3
Изделия, подвергнутые карбонитрации, приобретают характерный темный цвет. Для пояснения способа на фиг. 2 показан внешний вид твердосплавных пластин Т15К6 (а), увеличение 1:1, на фиг. 3 показывают глубину карбонитрации твердого сплава Т15К6 после процесса карбонитрации при температуре от 540°С до 580°С в течение 30 мин, 1421HV, глубина карбонитрированного слоя 1 мкм, на фиг. 4 - микроструктура твердого сплава Т15К6 после лазерной обработки (JEOL) при увеличениих 500, а - исходный; б - 2⋅10 Вт/м, 2,0⋅10 м/с; в - 3⋅10 Вт/м, 2,0⋅10 м/с; г - 4⋅10 Вт/м, 2,0⋅10 м/с, на фиг. 5 - гистограмма изменения износа по передней и задней поверхности квадратных пластин твердого сплава Т15К6 в зависимости от режимов лазерной обработки.
2
2
После карбонитрации для повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов осуществляют лазерную обработку изделий с использованием непрерывного лазера ЛК-3015лс07. Обработку лазером проводят по контуру от выделенной точки по часовой стрелке (расстояние от режущей кромки - от 1 до 1,5 мм) в двух атмосферах: N и O. Фото пластин после лазерной обработки на лазерном станке ЛК-700 представлено на фиг. 1.
2
6
2
-3
-3
-3
При лазерной закалке уменьшают давление газа N до 0,2-0,3 атм. Диаметр сопла d=2 мм и диаметр пятна определяют фокусирующей системой. В начальной стадии нагрев до 2⋅10 Вт/м, при скорости 2,0⋅10, 3,0⋅10, 3,0⋅10 м/с.
Лазерную обработку проводят согласно матрице планирования эксперимента. До лазерной обработки карбонитрированных пластин определяют твердость и износ при резании результаты представлены в таблице 1 и после лазерной обработки карбонитрированных пластин определяют твердость и износ при резании представлено результаты представлены в таблице 2.
6
2
-3
Результаты исследований на данном этапе показывают, что лазерную обработку эффективно проводить для сплава Т15К6. Твердосплавные пластины после карбонитрации по сравнению с исходными после лазерной обработки имеют в 2-5 раз меньший износ при резании по передней и задней поверхностям. С повышением плотности мощности лазерного излучения износ при резании уменьшается, а твердость увеличивается. Лучший режим лазерного воздействиия при плотности мощности лазерного перемещения 2⋅10 Вт/м, 2,0⋅10 м/с. Износ при резании уменьшается в 5 раз.
Для твердосплавных пластин без карбонитрированного слоя после лазерной обработки происходит незначительное увеличение твердости и износа при резании в 2 раза.
6
2
6
2
6
2
6
2
Анализируют результаты проведенных экспериментальных работ представленных в таблице 3 по упрочнению режущего инструмента из карбидсодержащих сплавов методом непрерывного лазерного воздействия и дают сравнение с прототипом. Проводят лазерное воздействие твердосплавных пластин исходных и с нанесенным карбонитрированным слоем при плотности мощности лазерного воздействия 1⋅10 Вт/м, 2⋅10 Вт/м, 3⋅10 Вт/м, 4⋅10 Вт/м. Твердость изменяют незначительно и оставляют в интервале 1550-2000 HV, износ уменьшают в 3-10 раз, коэффициент стойкости (определяют как отношение износостойкости до и после лазерного воздействия) увеличивают в 3-10 раз.