Способ обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента

(19) (11) 47245 А 3/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 9 ) ИСА ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ изического инэлектрохимиче 80, вып.5, с,6-9.ния, 1982, М 3, с Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к производству твердых сплавов. ПреимущественноВК 8, и может быть использовано при их термической обработке, применяемой для повышения эксплуатационных характеристик твердосплавных металлорежущих инструментов,Известен способ термической обработки твердосплавного инструмента, по которому проводят его обьемный нагрев .при 750-1200 С. скорость нагрева при этом равна 10-15 град/с, На определение оптимальных условий охлаждения твердого сплава при закалке оказывает влияние выбор среды охлаждения, в качестве которой в данном способе используются воздух, вода, масло, селитра,Несмотря на наблюдаемое повышение стойкости инструмента, прошедщего термическую обработку по этому способу, в частности. матриц из сплава ВК 8 и ВК 15, работающих на операциях вытяжки и штамповки, на 15-25%, а также режущего инструмента при фрезеровании конструкционных сталей на 25-32%, при точении жаропрочных сталей на малых скоростях резания на(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОЛЬФРАМО- КОБАЛЬТОВОГО ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА(57) Сущность изобретения: режущую часть вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента нагревают дб 450-550 С и подвергают многократному воздействию импульсного лазерного излучения с числом импульсов 8-12 и плотностью энергии 1,0- 1,4 Дж/мм . 1 табл. 25-380/О, ему присущ ряд недостатков. Вопервых, нагрев до 1000 С и выше, когда интенсивно протекает процесс окисления твердых сплавов, должен производиться в электрованне со специальным составом обеспечивающим, с одной стороны, протекание в твердом сплаве структурных превращений, способствующих повышению стойкости инструмента, с другой стороны, должно отсутствовать образование окисного слоя на поверхности твердого сплава. Наряду с этим, большая трудоемкость способа в основном обусловлена сложностью проведения термической обработки с охлаждением в специальных средах, Кроме того, каждому твердосплавному изделию, вследствие различия их масс и типоразмеров, должна отвечать своя оптимальная технология термической обработки, обеспечивающая максимальную эффективность последней в отношении прочности и долговечности. Таким образом, еще более увеличиваются трудозатраты на термообработку инструмента, что обусловлено большим разнообразием его форм и размеров.Известен также способ термической обработки твердых сплавов, по которому про 1747245водят циклический нагрев сплава до 1200 С с промежуточным охлаждением на воздухе до температуры не выше 700 С, выдерживают при повторном нагреве 2-3 мин и проводят окончательное охлаждение в масле комнатной температуры,Испытания твердосплавных резцов после термообработки показывают, что их стойкость увеличилась в 1,7 раза по сравнению с резцами без упрочнения и в 1,2 раза по сравнению с резцами упрочненными согласно описанному способу. Данный способ проще предыдущего, так как не требует подогретого масла и специального оборудования.Однако особенности нагрева сплавов до 1200 С обуславливают сложность и трудоемкость практической реализации способа. Кроме того, многоступенчатость процесса термической обработки ведет к снижению производительности. Вместе с этим достигнутое в соответствии с данным способом увеличение стойкости режущего твердосплавного инструмента оказывается недостатоцным в условиях современного машиностроительного производства.Известен также способ термицеской обработки твердых сплавов, по которому проводят локальный нагрев наиболее изнашиваемаго участка режущей кромки твердосплавного инструмента при помощи однократного воздействия импульсного лазерного излучения в режиме с оплавлением поверхности сплава при длительности импульса генерации т=2,2 10 с, энергии излу-зчения Е=200 Дж, диаметра пятна в зоне обработки с =8 мм.Достаточно высокая эффективность обработки по такому режиму сопровождается увеличением трудоемкости способа, что обусловлено введением в технологический процесс операции оконцательной прецизионной шлифовки и доводки рабочих граней инструмента, Необходимость в такой операции вызвана наличием слоистой структуры по глубине в зоне импульсной лазерной обработки по режиму с оплавлением. Наличие зоны оплава связано с присутствием в поверхностном слое сплава карбидов Я 2 С и ЧЧСкуб, и других разупроцняющих фаз (на. пример, у -фазы, появление которой обусловлено выгоранием углерода с поверхности). Свойства внешнего оплавленного слоя отрицательно сказываются наэксплуатационных характеристиках инструмента. Следующий за оплавленным переходный слой имеет структуру, оптимальную по составу для повышения стойкости инструмента, Введение в способе операции 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 предварительного нагрева сплава, который в данном случае проводится в атмосфере С 02 дает возможность избежать появления трещин в этом переходном слое при лазерной обработке с плотностью энергии, превышаЮщей плотность энергии, при которой трещины появляются на поверхности при воздействии без предварительного нагрева сплава, и использовать положительные свойства этого слоя при эксплуатации инструмента. Для этого необходимо снять оплавленный слой и не повредить при этом переходный. Поэтому вводится в данном способе операция точной шлифовки и доводки режущих кромок твердого сплава, что существенно увеличивает трудоемкость способа.Помимо большой трудоемкости такой способ лазерной обработки кромок инструмента имеет другие недостатки, Так, он не может быть реализован для упрочнения многогранных неперетациваемых пластин (МНП) из твердых сплавов, применяемых, в частности, для оснащения сборных токарных резцов, что сужает область применения способа.При обработке однократным воздействием импульсного лазерного излучения на поверхность режущей кромки твердосплавного инструмента по данному способу отмечается нестабильность повышения износостойкости твердосплавного инструмента, что в большой степени определяется различиями в качественных и количественных структурных характеристиках твердосплавных изделий в состоянии поставки, Так,исходные сжимающие напряжения в карбидных зернах изменяются от 100 до 700 МПа. Различия в тонкой структуре карбидов (дисперсно-мозаичная структура и микроискакения кристаллической решетки вследствие нарушения стехиометрии состава) и ваРиациЯ пРимесей в видеУСкуб и Я 2 С оп редел я ют нестабил ь ность лазерного однократного упрочнения твердосплавного инструмента. Вследствие этого - степень фазового наклепа карбидов после однократной лазерной импульсной обработки и соответствующее ей повышение стойкости инструмента адгезионно-усталостному износу различны, Таким образом,. однократная импульсная лазерная обработка твердого сплава по данному способу не обеспечивает стабильного увеличения стойкости, уменьшения коэффициента вариациистойкости.Известный способ импульсной лазерной термической обработки, когда нагретые образцы твердого сплава обрабатываются с оплавлением поверхности достаточно трудоемок, требуются шлифовка и доводка режущих кромок инструмента. Кроме того, однократная обработка нагретых образцов с оплавлением их поверхности не исключает возможности получения нестабильных значений стойкостных характеристик твердосплавного инструмента..Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ термической обработки вольфрамокобальтовых твердых сплавов, включающий однократный импульсный лазерный нагрев сплава ВК 8 с плотностью энергии 0,9 Джlмм, исключающий нарушение сплошности поверхностного слоя материала в зоне обработки, По отношению к предыдущему способу он отличается меньшей трудоемкостью и воэможностью проводить обработку не только твердосплавных пластин, используемых . в производстве напайного инструмента. но и МНП. применяемых для оснащения сборного инструмента с механическим креплением пластин, Здесь отпадает необходимость доводки рабочих кромок инструмента после облуче н и я.Однако в этом способе не обеспечивается уменьшение разброса улучшенных стойкостных показателей работоспособности облученного инструмента, характеризуемое коэффициентом. вариации стойкости, что в значительной мере снижает возможности способа.Цель изобретения - повышение стойкости режущего инструмента из вольфрамокобальтовых твердых. сплавов и уменьшение коэффициента вариации стойкости.Поставленная цель достигается тем, что в способе термической обработки вольфрамокобальтовых твердых сплавов, преимущественно ВК 8, включающем импульсный лазерный нагрев с плотностью энергии 0,9 Дж/мм, не вызывающий нарушениягсплошности поверхностного слоя материала в зоне воздействия, перед лазерным воздействием проводят нагрев сплава до 500 4-50 С, а воздействие осуществляют многократно на один и тот же участок поверхности материала нагретого сплава с плотностью энергии 1,0-1,4 Дж/мм и числом импульсов 8-12. Кроме того, лазерное облу, чение предварительно нагретых образцов осуществляют на воздухе, без применения защитного инертного газа,Использование операции предварительного нагрева твердого сплава в сочетании с многократной лазерной импульсной обработкой позволяет проводить без нарушения сплошности локальной нагрев поверхностных слоев материала, вплоть до температуры эвтектики -1350"С, При этом существенно возрастает степень легирования кобальтовой связки вольфрамом, вплоть до предельно достижимой. Послед нее в значительной степени способствуетувеличению стойкости инструмента адгезионному износу вследствие увеличения адгезион ной связи карбидных зерен с кобальтовой связкой. Кроме того, уменьше ние склонности к трещинообразованию принагреве изделий из твердых сплавов позволяет по сравнению с лазерной обработкой ненаг 1 эетых образцов увеличить оптимальные уровни энергии облучения, а также 15 уменьшить скорость охлаждения сплава, начиная с температуры предварительного нагрева, тем самым достичь более полного протекания в зоне лазерного воздействия процессов формирования структур, стойких 20 к истиранию и воздействию ударных нагрузок, и добиться снижения количества микро- сколов и выкрашиваний, повысить общую стойкость инструмента. Введение операции многократной лазерной обработки позволя ет стабилизировать свойства поверхностных слоев сплавов в зоне лазерной обработки, После первых импульсов облучения происходит релаксация остаточных поверхностных напряжений в карбидных 30 зернах. Эти напряжения становятся величиной одного порядка, От образца к образцу экспериментально наблюдается уменьшение разброса в значениях степени фазового наклона в карбидных дернах сплава при его 35 дальнейшей многократной лазерной обработке.с оптимальными значениями плотности энергии, Этим обеспечивается стабильность улучшенных эксплуатационных характеристик твердосплавного инст румента, работающего в условияхадгеэианно-усталостного износа, когда прочностные характеристики сплава играют определяющую роль в снижении его износа, и инструмента, применяемого при прерыви стом резании и в режиме ударных нагрузок;уменьшается коэффициент вариации стойкости облученного инструмента. Общее уп. рочнение в поверхностном слое сплавадостигается за счет изменений в тонкой 50 структуре монокарбидов а-ЮС (накоплениемикроискажений решетки и измельчение блочно-мозаичной структуры). Наряду с изменением состава кобальтовой связки указанные изменения отмечают за повышение 55 стойкостных параметров облученного инструментов.Поскольку процесс активного окисления поверхности твердых сплавов начинается а температур более 600 С, возможно проведение объемного нагрева и лазерногооблучения нагретых твердосплавных изделий на воздухе, без использования защитного инертного газа. В этом случае не требуется применения дополнительного оборудования и средств для осуществления указанного технологического процесса, что приводит к снижению трудоемкости способа.Предварительный нагрев позволяет существенно увеличить уровень значений 510 плотности энергии, при которых проявляется нарушение микрогеометрии поверхностных слоев сплава. При термической обработке вольфрамокобальтовых твердых сплавов по заявляемому способу оптимальным является облучение при плотности энергии излучения 1,0-1,4 Дж/мм, При об 2лучении конкретсплава ВК 8 по сравнению со способом-прототипом плотность энергии увеличивается на 0,1-0,5 Дж/мм .2Определяющими для достижения максимального эффекта в повышении эксплуа 15 20 тационных характеристик твердосплавного предварительного нагрева образцов, которая составляет 500+ 50 С, Частота следования импульсов, а также количество импульсов, направляемых в одну точку, вы 30 бираются при известных значениях плотности энергии и температуры нагрева таким образом, чтобы, с одной стороны, не наблю- далось разупрочнения режущей кромки инструмента, с другой стороны, достигались как максимальная степень фазового наклепа карбидов, так и максимальная степень насыщения Со-связки вольфрамом и углеродом. Разупрочнение может выражаться либо в нарушении сплош ности поверхностного слоя сплава, либо в перегреве рабочей кромки твердосплавного ин 40 струмента и происходящих при этом деструктурных изменениях в фазовом саста ве с пла ва.При термической обработке твердосп 45 лавного инструмента по предлагаемому способу его предварительно очищают от загрязнений, обезжиривают ацетоном или спиртом. Затем закрепляют в специальном устройстве для предварительного подогрева и помещают в рабочей зоне лазерной технологической установки таким образом, чтобы излучение падало на режущую поверхность твердосплавного инструмента в на 55 правлении, перпендикулярном к ней, После нагрева инструмента до выбранного значения температуры осуществляют лазерную многократную обработку его режущей кромки, Поскольку при работе режущего твердосплавного инструмента превалирует,инструмента являются как плотность энергии лазерного излучения, так и температура 25 в основном, износ по задней поверхности, то по данному способу осуществляют обработку излучением именно по этой поверхности, Причем во время всего цикла облучения инструмент находится в нагретом состоянии при постоянном заданном значении температуры и остается неподвижным, чтобы многократно.был обработан один и тот же участок его режущей кромки.Проведение комплексной термической обработки твердых сплавов, сочетающей их предварительный обьемный нагрев и многократное воздействие импульсного лазерного излучения на один и тот же требуемый участок поверхности предварительно нагретых образцов твердых сплавов, обеспечивает получение результатов, ранее не достижимых при альтернативных способах термообработки этого класса материалов. В частности по сравнению с термообработкой нагретых образцов твердых сплавов однократных воздействием импульсного лазерного излучения по режиму с оплавлением поверхности не наблюдается нарушения сплошности поверхностного слоя материала, Кроме того, в предлагаемом способе происходит выравнивание степени фазового наклепа в карбидных зернах и соответственно уменьшается разброс в значениях стойкости инструмента, При этом увеличивается степень легированности связки сплава вольфрамом, что приводит к увеличению стойкости твердосплавного инструмента при работе в условиях адгезионного износа и уменьшению коэффициента вариации стойкости облученного инструмента, По сравнению с однократной лазерной импульсной обработкой без нарушения сплошности поверхностного слоя сплава возможно повышение стойкости обработанного инструмента при одновременном уменьшении коэффициента вариации стойкости,При обработке по предлагаемому способу возможно достижение максимальной степени легировакия кобальтовой связки сплава и фазового наклепа карбидной фазы и соответствующее им увеличение стойкоститмрдосплавного инструмента при работе в условиях адгезионного износа; также возможно регулирование скорости охлаждения сплава после его термообработки с целью более полного протекания процессов формировония износостойких структур в зоне облучения; достигается выравнивание количественных и качественных структурных характеристик материала,Пример конкретного выполнения, Проводилась термическая обработка многогранных, (число граней - 3) неперетачиваеглых пластин из твердого сплава ВК 8. Многократное воздействие импульсным лазерным излучением осуществлялось на воздухе по задней режущей грани каждой МНП при одинаковых параметрах излучения на лазерной технологической установке "Квант". Сравнительные испытания проводились на токарно-винторезном станке модели 16 К 20 при продольном точении заготовок из сплава ЭИ 437 Б(ХН 77 ТЮР)-без охлаждения зоны резанияэмульсией. При этом был принят следующий режим резания: скорость точения 45 м/мин; подача 0,125 мм/об; глубина резания 2,0Сравнение результатов испытаний проводилось по критерию;/ ( т ) контрольн. =Кст.,где 1 - среднее время работы резца;пз - величина фаски износа по задней грани резца;Кст - коэффициент стойкости резцов, В каждом из проводимых опытов испытывалось потри резца, Среднее время работы контрольного (необработанного) инструмента до износа 0,5 мм составило 290 с, а среднее время работы инструмента, обработанного по заявляемому способу (плотность энергии излучения 1,1 Дж/мм, кратность облучения 8 импульсов, температура нагрева 500 С), до износа 0,35 мм -840 с, Таким образом, Кст,=4,1, ; другой стороны, среднее время работы инструмента, обработанного многократно (кратность облучения - 10 импульсов) лазерным излучением с плотностью энергии 1,1 Дж/мм без предварительного нагрева резцов, до износа 0.5 мм составило 450 с. Это соответствует увеличению их стойкости в 1,6 раза.При уменьшении плотности энергии до значений менее 1,0 Дж/мм (вне зависимогсти от температурь предварительного подогрева) не достигается максимальная степень легирования .кобальтовой связки вольфрамом, что ведет к снижению адгезионной связи карбидных зерен со связкой и соответствующему уменьшению стойкости твердосплавного инструмента по сравнению с результатами испытаний МНП, прошедшими термообработку с оптимальными значениями плотности энергии лазерного излучения, Аналогичный результат наблюдается при снижении температуры предварител ьного нагрева ниже 450 РС, Увеличение плотнотсти энергии обработки более. 1,4 Дж/мм (независимо от темпера туры предварительного нагрева. кратности обработки и частоты следования импульсов)приводит к нарушению сплашности поверхности режущей грани и инструмент теряет 5 свои рабочие свойства,Выход за пределы диапазона температур предварительного нагрева приводит к изменению температурного режима охлаждения сплава, необратимым изменениям ге 10 15 20 25 30 35 Ф 40 45 50 ометрии и свойств поверхностного слоясплава при лазерной многократной обработке в интервале заявляемых значенийплотности энергии, Так, при нагреве свыше550 С происходит повышение температурыв зоне обработки до значений больших, чемтемпература эвтектики, наблюдается изменением поверхностных свойств сплава и соответствующее им снижениеэксплуатационных характеристик инструмента,Выход эа пределы заявляемого диапазона числа импульсов обработки приводитлибо к пережогу рабочей кромки МНП (прикратности более 12 импульсов), либо необеспечивает максимальной степени упрочнения сплава и значительного снижения коэффициента вариации стойкости (прикратности менее 8 импульсов).Режимы лазерной обработки МНП и результаты испытаний приведены в таблице,где приняты следующие обозначения: е -плотность энергии излучения, Дж/мм; М -г,кратность воздействия (число импульсов водну точку), шт; Т - температура предварительного нагрева, С,При этом коэффициент вариации стойкости определялся по формуле:Ч=ЯЙ,где 5 - среднеквадратичное отклонениезначения стойкости;т - среднее значение стойкости, с.Таким образом, предлагаемый способтермической обработки твердых сплавов,сочетающий их предварительный обьемныйнагрев и многократное импульсное воздействие лазерного излучения на один и тот жетребуемый участок поверхности предварительно нагретьх образцов и проводимый порежиму без нарушения сплошности поверхностного слоя сплавов, позволяет увеличить стабильность улучшенныхэксплуатационных характеристик твеодосплавного инструмента, т.е. уменьшить коэффициент вариации стойкости; достигнутьувеличения стойкости МНП до 4 раз прирезаниитруднообрабагывамыхматериалов за счет достижения максимальной степени легирования Со-фазы вольфрамом, увеличения адгезионной связи карбидных зерен со связкой, э также вследствие фазового на12 1747245 Режимы облучения МНП и результаты испытаний пытныи ние: обработка проводилась на лазернои уста )- опытный - обработка по предлагаемом предварительного нагрева образцов кеКвантб пособу, но бе Составитель С.ЯреськТехред М,Моргентал орректор Н,Слободя И,Каса Ре аказ 202 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Про тв клепа карбидной фазы сплавов. При этом лазерная обработка осуществляется на серийно выпускаемых установках. За счет достижения высоких температур в зоне обработки возможно получение большой глубины зоны с измененной структурой; что позволяет использовать инструмент при более жестких режимах резания и для обработки труднообрабатываемых материалов.Формула изобретения Способ обработки вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента, включающий воздействие импульсного лазерного излучения на режущую часть, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения стойкости и уменьшения коэффициента 5 вариации стойкости инструмента, передлазерным воздействием проводят нагрев инструмента до 450-550 С на воздухе, а воздействие импульсного лазерного излучения осуществляют многократно с; плот ностью энергии 1,0-1,4 Дж/мм и числомимпульсов 8-12,