СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ОБЪЕМНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ
METHOD OF INCREASING PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF TOOL MATERIALS BY VOLUME PULSE LASER HARDENING

Изобретение относится к области получения материалов с новыми свойствами, используемых в частности, при изготовлении твердосплавного режущего инструмента.
Известен способ поверхностной лазерной обработки твердых сплавов (Коваленко В.С. Упрочнение деталей лучом лазера. – Киев: Техника, 1981. – 131 с.), который представляет собой последовательную закалку режущего инструмента при облучении лазером. Основные недостатки поверхностной лазерной обработки твердосплавного режущего инструмента следующие:
- невозможно одновременное упрочнение передней и задней поверхностей режущего инструмента;
- режущая кромка упрочнённого инструмента подвержена хрупкому разрушению;
- упрочнённый слой материала не сохраняется после переточки инструмента.
2
Известен способ повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента методом импульсной лазерной обработки (ИЛО) (Патент RU 2460811, опубл. 10.09.2012), заключающийся в том, что воздействие импульсным лазерным лучом на режущий инструмент осуществляют с плотностью энергии 10-50 Дж/мм при расстоянии режущей кромки от места облучения 12-18 мм.
10
11
2
-6
-3
-3
-3
Также известен способ повышения физико-механических свойств инструментальных и конструкционных материалов методом объёмного импульсного лазерного упрочнения (ОИЛУ) (Патент RU 2517632, опубл. 27.05.2014), 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 с, при этом диаметр луча равен 1,2·10-2,5·10 м, а расстояние от места облучения до упрочняемой поверхности - 12-30 мм.
Основным недостатком указанных способов обработки является отсутствие контроля фазового состава, а также отсутствие оптимизации процесса упрочнения. Режимы упрочнения назначаются исходя из вида и типоразмера инструмента. При этом такие факторы как различия в исходном составе в зависимости от марки и производителя твердых сплавов, не учитываются. Это не позволяет достигнуть оптимальных значений эксплуатационных свойств инструмента.
2
Известен способ упрочнения готового инструмента путем лазерной обработки (А. с. №1078939 А (СССР)), заключающийся в том, что после лазерной обработки с плотностью энергии 5-30 Дж/мм, производят термическую обработку. Данный способ может применяться только для быстрорежущих инструментальных сталей.
Технический результат изобретения заключается в повышении физико-механических свойств материалов, которые сохраняются после износа и переточек.
Указанный технический результат достигается тем что, при лазерной обработке твердосплавного режущего инструмента, включающей в себя воздействие импульсным лазерным лучом на режущий инструмент, энергия лазерного импульса определяется на основании результирующего количества α-Со в кобальтовой связке упрочнённого материала. Для этого проводится анализ фазового состава материала с использованием метода рентгеноструктурного анализа.
При упрочнении предлагаемым в прототипе способом, назначают режимы упрочнения исходя из вида и типоразмера инструмента, это дает большой разброс по результирующим свойствам и как следствие не высокую гарантированную стойкость. Если при упрочнении, провести корректировку режимов используя анализ фазового состава (т.е. анализируя результирующее количество α-Со в кобальтовой связке упрочнённого материала), то мы получим более высокую стойкость инструмента (в 1,3-1,5 раза выше по сравнению с предлагаемым в прототипе способом), а также лучшую стабильность свойств. При этом оптимизация фазового состава материала позволяет получать максимально высокие результаты для каждых конкретных условий резания.
К группе инструментальных материалов относят твердые сплавы, которые изготавливаются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанных кобальтовой металлической связкой. Указанные сплавы, представляют собой сложный гетерогенный материал, чьи физико-механические свойства во многом обусловлены структурой спечённого материала. При этом твердым сплавам характерна нестабильность свойств материала (фазовый состав, напряженное состояние), в результате, от партии к партии стойкость инструмента (его основное эксплуатационное свойство), может меняться, притом значительно. Эффективным исследовательским инструментом, в данном случае является метод рентгеноструктурного анализа. Используя указанный метод исследований, мы получаем возможность контролировать фазовый состав материала.
Рентгеновскую съёмку вели на дифрактометре со сцинтиляторным счётчиком «Siemens», марки D-501. Использовалась трубка с медным анодом, длина волны Кα излучения 1,5442Å. Размеры щелей ограничивающих первичный пучок 1°, на счётчике 1°. Напряжение на трубке 40кВ, ток через трубку 130 мА. Съёмка велась непрерывно, скорость движения счётчика 0,5 град/мин. Исследовались отражения (101) α-кобальта и (200) β-фазы. Для расчёта интегральной интенсивности отражения (hkl) использовалась зависимость, приведённая в работе [Горелик С. С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А., Рентгенографический и электроннооптический анализ. – М.: Металлургия, 1970. – 367 с.],
<mrow><mfrac><mi>I</mi><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>K</mi><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mi>P</mi><mo>⋅</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>F</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>M</mi></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mfrac><mi>V</mi><mrow><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
,  (1)
0
где:  I – интенсивность первичных лучей;
K – постоянная величина для данного вещества и данных условий съёмки;
LP – угловой множитель интенсивности (поляризационный фактор Лоренца);
m – множитель повторяемости,
f – фактор атомного рассеяния,
2
ǀFǀ – структурный фактор;
-2M
e – температурный множитель;
M –фактор повторяемости;
U – единичный объём элементарной ячейки;
V – объём анализируемой фазы;
A(θ) – абсорбционный множитель.
Для исследуемых отражений значения A(θ) и K имеют близкие значения.
В таблице 1, приведены значения величин необходимых для определения интегральных интенсивностей линий α и β-кобальта.
α
β
Используя имеющиеся данные, а также учитывая, что сумма V и V равна единице, становится возможным определить отношения интегральных интенсивностей отражений. Экспериментальная ошибка определения объёмной доли каждой из фаз, составила, не более ±1,5%.
Таким образом, методики, применяемые в данной работе, позволяют с достаточной точностью судить о процессах, протекающих в твёрдых сплавах в ходе их импульсно-лазерной обработки.
В ходе реализации предлагаемого способа упрочнения, режущий инструмент обрабатывался при помощи объёмного импульсного лазерного упрочнения. Затем проводился анализ фазового состава материала, и производилась корректировка режимов упрочнения. Используя предлагаемый способ упрочнения, удаётся повысить эффективность упрочнения в 1,3-1,5 раза, по сравнению с импульсной-лазерной обработкой без оптимизации по фазовому составу.
В качестве проверки предлагаемого способа упрочнения были проведены производственные испытания прямых проходных резцов, при следующих условиях:
- способ крепления пластины – напайка;
- обрабатываемый материал, серый чугун марки К-1, высокопрочный специальный чугун KV-1;
- материал режущей части ВК8, ВК20;
- геометрия режущего инструмента (γ=10ᵒ, α=8ᵒ, φ=60ᵒ);
- обрабатываемая деталь – кольцо поршневое D=150÷110 мм, S=6÷3мм, детали собраны в пакет шириной 200мм, обрабатываемая поверхность литейная корка;
- операция росточка/обточка по копиру, двумя комплектами резцов соответственно, по 3 резца в комплекте, при выходе из строя любого из резцов, меняется весь комплект.
- режимы резания: скорость резания V=43-86 м/мин, подача S=0,2 мм/об; глубина резания t=1,0 мм;
- режимы упрочнения: энергия импульса Е=300-350 Дж. для ВК8; 350-400 Дж. для ВК20, длина волны 1,064•10-6 м, продолжительность импульса – (0,8-1,0)•10-3 с, диаметр луча (1,3÷1,5)•10-3 м
- содержание α-Со (0÷60)%.
В ходе анализа экспериментальных данных, были определены оптимальные марки сплавов и параметры их фазового состава, для проведения указанных операций. При резании серого чугуна К1 целесообразно использовать твёрдый сплав марки ВК8. Рекомендуемая скорость резания 45 м/мин. Для обработки высокопрочного чугуна оптимальным будет твёрдый сплав марки ВК20. Рекомендуемая скорость резания 65 м/мин.
При этом, для упрочнении по предлагаемому способу, для черновой обработки чугуна, необходимое количество α-Со составляет: для сплава ВК8 - 20±5%, для сплава ВК20 - 48±3%. Используя предлагаемый способ упрочнения, становится возможным получать стабильные результаты, вне зависимости от колебаний исходных свойств материала.
Результаты испытаний показали, что стойкость инструмента с контролем количества α-Со, выше по сравнению с аналогичным упрочнением без контроля фазового состава, в 1,3-1,5 раза.