Введение к работе
Актуальность темы Развитие машиностроения связано с интенсификацией процессов механической обработки, что выдвигает на передний план проблему повышения износостойкости режущих инструментов. В первую очередь это относится к твердосплавным режущим инструментам на долю которых приходится 2/3 всего объема металлообработки резанием. Вышеназванная проблема решается двумя путями: созданием новых инструментальных материалов и разработкой упрочняющих технологий.
Перспективным методом повышения износостойкости инструментальных твердых сплавов (ИТС) является модифицирование их поверхностных слоев путем обработки ионными пучками килоэлек-тронвольтных энергий. В результате подобного воздействия изменяется химический, фазовый состав, структура в поверхностных слоях твердых сплавов, что предопределяет изменение их физико-механических свойств. Характер протекания процессов при этом в значительной мере зависит от параметров облучения, таких как химический состав ионного пучка, энергия и доза ионов, плотность ионного тока (интенсивность облучения).
Применяемые в настоящее время для ионно-лучевого модифицирования материалов установки существенно различаются по технологическим возможностям, в первую очередь по интенсивности ионного воздействия. В то же время практически все исследования в этой области были выполнены с применением какого-либо одного источника ионов, в связи с чем выводы и рекомендации, содержащиеся в этих работах не могут быть в полной мере использованы в случае облучения на других установках, принципиально отличающихся по технологическим параметрам. Это препятствует также более глубокому пониманию эффектов ионно-лучевого модифицирования, приводящих к изменению износостойкости твердосплавных режущих инструментов, и зависимости этих эффектов от параметров ионного облучения. На настоящий момент не определены области рационального использования различных типов ионных источников для модифицирования инструментальных твердых сплавов.
Цель работы. Сравнительное исследование влияния модифицирующей обработки с использованием различных типов источников ионов на структурно-фазовые превращения и износостойкость поверхностных слоев инструментальных твердых сплавов.
Используемые обозначения и сокращения
ИТС — инструментальные твердые сплавы;
ИЛО — ионно-лучевая обработка;
НПИ — непрерывный пучок ионов;
МИП — мощный ионный пучок;
ИПП — импульсно-периодический пучок ионов.
Научная новизна. Впервые проведено исследование особенностей модифицирующей обработки ИТС непрерывными, импульсно-периодическими, импульсными ионными пучками с использованием различных типов источников ионов в широком диапазоне плотностей ионного тока (от 50 мкА/см2 до 150 А/см2). Впервые осуществлено сравнительное исследование воздействия слаботочных и сильноточных ионных пучков на структуру и фазовый состав сплавов системы WC-Co. Экспериментально зафиксировано, что в результате воздействия сильноточными ионными пучками наносекундной длительности происходит упрочнение межфазных областей вследствие снижения степени их дефектности и синтеза новых фаз в виде интерметаллидных соединений типа CoxWy02 и CoxWyCz. Предложены механизмы взаимосвязи между эффектами ионно-лучевого модифицирования (изменениями структурно-фазового состояния и свойств), происходящими в поверхностных слоях твердых сплавов в результате воздействия ионных пучков различной интенсивности, и закономерностями изнашивания в различных условиях резания. Показано, что общим как для слаботочного, так и для сильноточного ионно-лучевого модифицирования является повышение сопротивляемости абразивному изнашиванию. Вследствие ряда эффектов, таких как упрочнение межфазных границ, увеличение плотности дислокаций внутри карбидных зерен, наиболее заметно проявляемых после воздействия МИП, увеличивается сопротивляемость адгезионно-усталостному изнашиванию. Установлены особенности ионно-лучевого модифицирования с учетом структурных отличий ИТС. Зафиксировано, что для сплавов с малой толщиной кобальтовой прослойки в результате воздействия мощных ионных пучков, возрастает вероятность охрупчивания. Определены оптимальные условия резания, соответствующие виду ионно-лучевого воздействия, для которых достигается максимальное повышение износостойкости при обработке жаропрочного хромо-никелевого сплава.
Практическая ценность и реализация работы. Выполненные исследования позволили установить рациональные области ис-
пользования ионных пучков различной интенсивности, определить целесообразные режимы облучения. Результаты производственных испытаний модифицированных твердосплавных инструментов при резании различных материалов показали существенное повышение износостойкости (от 2 до 5—б раз) по сравнению с исходными. На основании проведенных исследований и результатов производственных испытаний, были разработаны практические рекомендации по назначению вида и режимов ИЛО твердосплавных режущих инструментов, с учетом условий их эксплуатации. Согласно данным рекомендациям было облучено две партии твердосплавных инструментов общим количеством 3 тысячи штук, которые были использованы в производственном процессе на ПРП АК "Омскэнерго". Модифицирование инструмента обеспечило повышение его износостойкости при резании углеродистых сталей в 2—3 раза. Защищаемые положения.
— экспериментально установленные закономерности изменения
структурно-фазового состояния поверхностных слоев сплавов WC-
Со, облученных сильноточными и слаботочными ионными пучками
в диапазоне плотностей ионного тока 5 Ю-5А/см2—150А/см2.
кинетические зависимости изнашивания модифицированных ионными пучками различной интенсивности твердосплавных инструментов при резании жаропрочного никелевого сплава, полученные в широком интервале скоростей резания для инструментальных материалов отличающихся параметрами структуры.
предложенные механизмы влияния эффектов ионно-лучевого модифицирования на износостойкость твердых сплавов в условиях резания (на примере резания сплава ХН62БМКТЮ), учитывающие интенсивность облучения и структурные особенности инструментального материала.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на III и IV Всероссийских конференциях "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1994; Томск, 1996); XXIII Международном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1993); на XI научной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1993); на IV Международной конференции "Радиационные гетерогенные процессы" (Кемерово, 1995); на IV Международной конференции "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий" CADAMT-95 (Томск, 1995); на IX Между-
народной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1996).
Работа в полном объеме докладывалась на семинаре кафедры "Технология машиностроения, резание и инструмент" Томского политехнического университета, семинаре кафедры "Радиационной физики и материаловедения" Омского государственного университета, научном семинаре ИСМЭ СО РАН (г.Омск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 20 печатных работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 122 страницах основного текста, содержит 71 рисунок, 6 таблиц. Список литературы содержит 182 наименования. Общий объем работы 190 страниц.
