Способ поверхностного упрочнения вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения твердых сплавов электровзрывным легированием, в частности к способу поверхностного упрочнения вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, которыми оснащают буровой и горно-режущий инструмент. Способ включает импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионным компонентом плазменной струи. В качестве источника ионного компонента используют продукты электрического взрыва алюминиевой фольги. Облучение проводят в импульсном режиме, обеспечивающем интенсивность воздействия на обрабатываемую поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м². При реализации способа повышается поверхностная твердость, износостойкость и эксплуатационную стойкость твердых сплавов группы ВК.

 

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения твердых сплавов концентрированными потоками энергии, в частности к способу поверхностного упрочнения твердых сплавов на основе карбида вольфрама, которыми оснащают различный инструмент, а также используют при упрочнении штампов, прокатных валков, твердосплавных волок, аппаратов высокого давления.

В настоящее время разрабатываются направления повышения долговечности этого инструмента, среди которых в большинстве случаев для уменьшения коэффициента трения, увеличения трещиностойкости на твердосплавных пластинах применяют покрытия, используя различные источники внешних высокоэнергетических воздействий [1, 2].

Наиболее близким техническим решением является способ поверхностной обработки изделий из твердых сплавов путем облучения обрабатываемой поверхности изделий из твердых сплавов многоэлементным пучком ионов циркония, молибдена и углерода в импульсно-периодическом режиме микросекундного диапазона с энергией ионов 45÷75 кэВ. В качестве источника многоэлементного пучка ионов циркония, молибдена и углерода используют композиционный катод Zr-Mo-C [3]. Данный способ позволяет повысить эффективность легирования путем создания многофазной структуры в поверхностном слое, в результате чего увеличивается износостойкость изделий из твердого сплава.

Однако известный способ ионно-лучевой обработки изделий из твердых сплавов имеет следующие недостатки:

1) для своей реализации требуется предварительное изготовление катодов;

2) изготовленные катоды эксплуатируются очень ограниченный срок;

3) для обработки поверхности требуется большое время облучения (15÷30 минут).

Задачей предложенного изобретения является создание такого способа обработки, который позволяет за кратчайшее время без специальной подготовки катодов с малым сроком эксплуатации импульсным однократным плазменным воздействием алюминиевой фольгой на поверхность повысить поверхностную твердость, износостойкость и эксплуатационную стойкость твердых сплавов группы ВК (ВК6, ВК8, ВК8К, ВК8КС, ВК8В, ВК10КС, ВК15КС).

Сущность поверхностной обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включающей импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионным компонентом плазменной струи, состоит в том, что в качестве источника ионного компонента используют продукты электрического взрыва алюминиевой фольги, облучение проводят в импульсном режиме, обеспечивающем интенсивность воздействия на поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м². Такая обработка поверхности металлов и сплавов известна как электровзрывное легирование (ЭВЛ) [4]. Однако этот вид обработки не применялся для упрочнения поверхности твердых сплавов. Способ ЭВЛ вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента включает нагрев поверхности и насыщение ее продуктами взрыва с последующей самозакалкой путем отвода тепла вглубь материала и окружающую среду. Повышение эксплуатационной стойкости бурового и горно-режущего инструмента при реализации данного способа происходит за счет поверхностного легирования, смены типа монокарбида вольфрама WC в твердом сплаве на другой тип W₂C, который обладает большей твердостью, износостойкостью, и уменьшения величины зерен карбида вольфрама W₂C в поверхностном слое, что способствует повышению эксплуатационной стойкости твердого сплава.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве источника легирующих элементов используют продукты электрического взрыва алюминиевой фольги. Облучение проводят в импульсном режиме, обеспечивающем интенсивность воздействия на поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м².

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна». Инструментом теплового воздействия на поверхность и источником легирующих элементов при ЭВЛ является многофазная струя, сформированная из материала взрываемого проводника - алюминиевой фольги. Работа плазменного ускорителя для ЭВЛ основана на накоплении энергии батареей импульсных конденсаторов до величин порядка 1…10 кДж и ее последующем разряде в течение 100 мкс через проводник, испытывающий при этом взрывное разрушение.

Пример: образцы твердого сплава с плоской поверхностью помещаются в технологическую камеру, откачиваемую форвакуумным насосом до давления 100 Па. Оснастка позволяет закрепить образец относительно оси сопла импульсного плазменного ускорителя под прямым углом. Источником легирующих элементов является алюминиевая фольга, закрепляемая на коаксиально-торцевых электродах ускорителя. Батарея импульсных конденсаторов разряжается через фольгу в течение 100 мкс, в результате чего происходит их электрический взрыв. Из продуктов взрыва формируется импульсная плазменная струя с интенсивностью воздействия 6,0 ГВт/м², служащая инструментом влияния на поверхность. Как и в прототипе, при обработке твердосплавных пластин указанным способом не образуется резкой границы между легированным слоем и материалом основы.

В отличие от прототипа, где осуществлялась импульсная периодическая ионная имплантация, ЭВЛ позволяет обеспечить обработку поверхности однократным импульсом определенной интенсивности. Она определяется совокупностью параметров, таких как: зарядное напряжение емкостного накопителя энергии, диаметр сопла ускорителя, расстояние от его среза до облучаемой поверхности, диаметр внутреннего электрода и др. Результаты испытаний облученной поверхности показали, что ее износостойкость, в сравнении с необработанными образцами, увеличивалась в 4 раза при увеличении интенсивности от 5,0 до 7,6 ГВт/м². Превышение верхнего значения интенсивности приводит к формированию рельефа поверхности под действием на нее неоднородного давления плазменной струи. Оптимальные результаты по глубине упрочненных слоев и их износостойкости достигаются при интенсивности воздействия 6,0 ГВт/м², при которой сохраняется исходная шероховатость поверхности, глубина упрочненных слоев достигает 40-50 мкм, а износостойкость увеличивается в 3 раза.

Использование предлагаемого способа поверхностной обработки твердого сплава ВК10КС и ВК15КС ЭВЛ обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: импульсная плазменная струя является тепловым источником и источником легирующих элементов; обработка осуществляется в импульсном режиме в течение 100 мкс; облучаемая площадь составляет 10÷15 см².

Литература

1. Ремнев Г.Е. Исследование структуры твердого сплав на основе карбидов вольфрама и титана, подвергнутого мощному импульсному ионному облучению /Г.Е.Ремнев и др./, Физика и химия обработки материалов. - 1998. - №5. - С.19-22.

2. Иванов А.Н. Структурные изменения в твердом сплаве ВК8 при ионном облучении / А.Н.Иванов, В.С.Хмелевская, И.А.Антошина, А.Б.Коршунов// Перспективные материалы. - 2003. - №1. - С.89-92.

3. Патент России №2155243, С23С 14/48, 1997 (прототип).

4. Багаутдинов А.Я. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов /А.Я.Багаутдинов, Е.А.Будовских, Ю.Ф.Иванов, В.Е.Громов - Новокузнецк: изд-во СибГИУ, 2007. - С.276.

Способ поверхностного упрочнения вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включающий импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионным компонентом плазменной струи, отличающийся тем, что в качестве источника ионного компонента используют продукты электрического взрыва алюминиевой фольги, а облучение проводят в импульсном режиме, обеспечивающем интенсивность воздействия на обрабатываемую поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м².