Способ поверхностной обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента

Изобретение относится к области упрочнения поверхности твердых сплавов концентрированными потоками энергии, а именно к способу поверхностного упрочнения твердых сплавов на основе карбида вольфрама, которыми оснащают буровой и горно-режущий инструмент, а также используют при производстве штампов, прокатных валков, твердосплавных волок, аппаратов высокого давления. Способ включает импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионным компонентом плазменной струи, в качестве источника которого используют продукты электрического взрыва углеграфитовых волокон. При этом импульсное облучение проводят с интенсивностью воздействия на поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м². Технический результат - повышение эксплуатационной стойкости твердого сплава.

 

Изобретение относится к области упрочнения поверхности твердых сплавов концентрированными потоками энергии, в частности к способу поверхностного упрочнения твердых сплавов на основе карбида вольфрама, которыми оснащают буровой и горно-режущий инструмент, а также используют при производстве штампов, прокатных валков, твердосплавных волок, аппаратов высокого давления.

Большой резерв повышения долговечности твердосплавных изделий заключается в применении поверхностных методов упрочнения, используя различные источники внешних высокоэнергетических воздействий. В настоящее время данные методы находят широкое применение для упрочнения бурового и режущего инструмента, зубков угольных и проходческих комбайнов и др., обеспечивая последним повышение эксплуатационной стойкости в несколько раз [1-4].

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 [5]. 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: для своей реализации требует предварительного изготовления катодов, которые эксплуатируются весьма ограниченный срок. Кроме того, для обработки поверхности требуется большое время облучения (15÷30 минут).

Задачей предложенного изобретения является создание такого способа обработки, который позволяет за кратчайшее время (100 мкс) без специальной подготовки катодов, имеющих малый срок эксплуатации, импульсным однократным плазменным воздействием углеграфитовыми волокнами на поверхность повысить поверхностную твердость, износостойкость и эксплуатационную стойкость твердых сплавов группы ВК (ВК6, ВК8, ВК8К, ВК8КС, ВК8 В, ВК10КС, ВК15КС).

Сущность поверхностной обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включающий импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионным компонентом плазменной струи состоит в том, что в качестве источника ионного компонента используют продукты электрического взрыва углеграфитовых волокон, 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) [6]. 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 в глубь 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 углеграфитовых волокон. 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 сама многофазная струя, сформированная из материала взрываемого проводника - углеграфитовых волокон. 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 являются углеграфитовые волокна, закрепляемые на коаксиально-торцевых электродах ускорителя. Затем батарея импульсных конденсаторов разряжается через волокна в течение 100 мкс, в результате чего происходит их электрический взрыв. Из продуктов взрыва формируется импульсная плазменная струя, служащая инструментом воздействия на поверхность. Как и в прототипе, при обработке твердосплавных пластин указанным способом не образуется резкой границы между легированным слоем и материалом основы.

Исследование режимов легирования и испытаний обработанных образцов позволило выбрать оптимальный режим облучения по интенсивности теплового воздействия. 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 4раза 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 70 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:

1) импульсная плазменная струя, как инструмент воздействия на поверхность, одновременно является тепловым источником и источником легирующих элементов;

2) обработка осуществляется в импульсном режиме в течение 100 мкс, при этом облучаемая площадь составляет 10÷15 см².

Источники информации

1. Бобой А.О. Комплексная модификация твердосплавных режущих инструментов с использованием ионных пучков высокой удельной мощности. / А.О.Бобой, К.Н.Полещенко, С.Н.Поворознюк, Ю.Ф.Иванов // Материалы и технологии 21-го века: сб. науч. тр. Ч.1. Пенза: Изд-во Приволж. Дом знаний. - 2001. - С.87-89.

2. Ремнев Г.Е. Исследование структуры твердого сплава 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.

3. 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.

4. Тарбоков В.А. Модифицирование твердосплавных пластин на основе карбида вольфрама мощным импульсным ионным пучком. / В.А.Тарбоков, Г.Е.Ремнев, П.В.Кузнецов // Физика и химия обработки материалов. - 2004. - №3. - C.11-17.

5. Патент Россия №2155243, С23С 14/48, 1997 (прототип).

6. 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. - 301 с.

Способ поверхностной обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включающий импульсное облучение обрабатываемой поверхности ионным компонентом плазменной струи, отличающийся тем, что в качестве источника ионного компонента используют продукты электрического взрыва углеграфитовых волокон, а импульсное облучение проводят с интенсивностью воздействия на поверхность в интервале 5,0÷7,6 ГВт/м².