Россия
Пермь, Пермский край, Россия
УДК 621.91 Обработка резанием
В статье представлены результаты исследований возможностей повышения износостойкости твердосплавных режущих инструментов при токарной обработке на основе воздействия радиационного облучения гамма-квантами на микроструктуру материала твердого сплава. Проведен анализ работ ученых физиков- атомщиков по исследованиям воздействия облучения гамма-квантами на изменения физико-химические свойств и перестроения микроструктуры на атомно-молекулярном уровне различных материалов, в том числе металлов и сплавов. Проведена модификация образцов твердосплавных режущих пластин на различных режимах облучения и последующие лабораторные и производственные испытания их износостойкости при точении различных сталей и титановых сплавов. Разработана методика испытаний модифицированных образцов на износостойкость. Проведены исследования химического состава твердого сплава, его микротвердости, остаточных напряжений на различных участках поверхности и микроструктуры режущих пластин. Выявлены рациональные условия и режимы модификации твердых сплавов, обеспечивающие наибольшую износостойкость твердосплавного инструмента. Проведены лабораторные и производственные сравнительные испытания на износостойкость различных режущих пластин из твердого сплава типа ВК8 до проведения модификации и после облучения гамма – квантами. Исследование износостойкости твердосплавных режущих инструментов проводились в различных лабораториях резания Пермского национального исследовательского университета, Пермского технологического техникума при предприятии АО «ОДК-ПМ», предприятия «Кировградский завод твердых сплавов», предприятия АО «ОДК-Пермские моторы» по собственным отработанным методикам стойкостных испытаний на различных универсальных токарно-винторезных станках и на станках с ЧПУ. В качестве обрабатываемых материалов использовались образцы заготовок из сталей 40Х, Ст. 45, 30Х13, титановых сплавов ВТ6 и ВТ20Л, чугуна СЧ25. В результате проведенных исследований установлено повышение износостойкости твердосплавного инструмента после модификации структуры твердого сплава на рациональных режимах облучения от 1,5 до 5 раз при токарной обработке в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемых материалов и режимов резания. Высказана гипотеза, что упрочнение твердого сплава и повышение его износостойкости происходит в результате перестройки его микроструктуры, создания новых межатомных связей, уменьшению количества дефектов, перестройке наноструктуры кристаллических тел в более гармоничное упорядоченное равновесное состояние с меньшим внутренним напряжением.
износостойкость, твердый сплав, облучение гамма-квантами, модификация, токарная обработка, режимы резания, легированные и нержавеющие стали, титановые сплавы, сменные твердосплавные пластины
Введение
Проблема повышения износостойкости режущих инструментов в машиностроении особенно актуальна стала в нашей стране в последнее время в связи с нарастающим расширением объемов производства новых видов современных изделий из различных труднообрабатываемых материалов. Кроме того, в связи с санкциями западных стран прекращены поставки эффективных режущих инструментов, применяемых на современных станках и обрабатывающих центрах при производстве различных изделий машиностроения. Сегодня специалисты инструментальщики пытаются различными методами повысить износостойкость режущих инструментов. Это применение различных покрытий, упрочняющие обработки, дополнительная термообработка твердых сплавов и другие методы. Среди них сегодня актуальными являются и радиационное методы воздействия.
Радиационное воздействие на различные материалы – это сегодня предмет многочисленных актуальных исследований [2 − 6]. Главная цель подобных экспериментов связана с радиационной модификацией свойств облучаемого материала.
Гамма-излучение является одним из видов электромагнитного излучения с самой высокой энергией и самой короткой длиной волны в спектре электромагнитных волн [1]. Оно возникает при разрядке ядерных энергетических уровней, то есть при переходе ядер атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Электрический заряд и масса покоя гамма-квантов имеют нулевое значение, они не взаимодействует с электрическими и магнитными полями. Этим объясняется выдающиеся параметры проникающей способности гамма-излучения (до 2,5 км в воздухе). Безусловно этот вид облучения не имеет аналогов для процесса модификации толстостенных изделий или металлов и сплавов.
В качестве технологии модификации исследуемого твердого сплава типа ВК8 выбрано радиационное облучение с помощью воздействия на структуру материала гамма-квантов. Известны технологии упрочнения композиционных и полимерных материалов путем гамма-облучения [7]. Однако исследований влияния воздействия гамма-квантов на свойства металлических функциональных материалов гораздо меньше [8], хотя интерес к этой технологии в последнее время значительно вырос в связи с неотложной необходимостью импортозамещения режущих инструментов и существенного повышения производительности процессов обработки материалов резанием.
Механизмами воздействия гамма-квантов на любой материал принято выделять следующие основные эффекты взаимодействия гамма-квантов с веществом: явление фотоэффекта, эффект Комптона, рождение электрон-позитронных пар и ядерный фотоэффект [9]. Если энергия превышает 10 МэВ, гамма-квант способен выбивать нуклоны из ядра атома. Этот механизм взаимодействия получил название ядерного фотоэффекта. При этом выбитый со своей орбиты свободный электрон может создавать новые электронно-дырочные пары [9]. Поток фотонов порождает электронную активность, причем энергия налетающих на атом электронов зачастую вполне достаточна для того, чтобы сместить его. Вероятно, это самый очевидный механизм взаимодействия электрона с атомом. Он приводит к разрыву межатомных связей.
Известно, что средняя энергия межатомных связей в веществе составляет 2…5 эВ, то разумно предположить как возможность разрыва существующих связей, так и вероятность возникновение новых связей в процессе радиационного воздействия гамма-облучением. Собственно сочетание этих двух процессов и определяют возможную модификацию свойств материала.
При этом механизмы стока несовершенств в совокупности с процессами аннигиляции приводят к уменьшению количества дефектов и перестройке структуры кристаллических тел в более гармоничное, равновесное состояние. Таким образом наноструктура упорядочивается, а внутренние напряжения в кристалле снижаются [2, 12, 13]. Характерным признаком упорядочивания структуры металла является уменьшение его удельного электрического сопротивления [11].
Это приводит внутреннюю структуру к самоорганизации и к более упорядоченному, равновесному состоянию. Последнее обстоятельство играет доминирующую роль, к примеру, в процессах снижения износа режущего инструмента.
С другой стороны, при увеличении концентрации одиночных дефектов, как правило происходит упрочнение металла. Параметры твердости могут увеличиваться в пять и более раз, однако при этом заметно снижается пластичность.
Таким образом, взаимодействие гамма-излучения с металлами и сплавами включает в себя два конкурирующих процесса: с одной стороны происходит накопление радиационных дефектов, с другой стороны – имеет место их аннигиляция и упорядочение структуры кристаллов.
Следует добавить, что облучение также меняет и физико-химические свойства поверхности твердых тел [13]. Прежде всего здесь имеются в виду такие свойства как адсорбция, окислительные и каталитические реакции, коррозионная стойкость.
Учитывая все изложенное выше, необходимо признать, что полная физическая картина наблюдаемых при радиационной модификации явлений достаточно далека от полного понимания и требует дополнительных исследований.
Поэтому, высказанные предположения о повышении износостойкости режущих инструментов после модификации твердого сплава проверялись на практике при токарной обработке различных материалов в лабораторных и производственных условиях.
Методика проведения экспериментальных исследований.
В ходе проведения работ исследовалось влияние обработки гамма-квантами на физико-химические свойства и износостойкость токарных резцов из твердого сплава типа ВК8 при токарной обработке конструкционных легированных, нержавеющих сталей, чугунов и титановых сплавов. Для проведения экспериментальных исследований токарные резцы подвергнуты радиационной модификации гамма-облучением с использованием источников 60CO на предприятии АО «Кобальт» по четырем вариантам с различными режимами и дозами облучения: А, Ввоздух, С и Вазот. Облучение проводилось в открытой атмосфере и в атмосфере азота для четвертого варианта с дозой облучения Вазот.
Испытания на износостойкость токарных резцов из твердого сплава типа ВК-8 проводились при точении различных материалов на различных универсальных токарных станках и токарных станках с ЧПУ в лабораторных и производственных условиях по специально разработанным методикам испытаний.
В лаборатории резания материалов кафедры ИТМ ПНИПУ исследования проводились на универсальном токарно-винторезном станке с УЦИ (устройство цифровой индикации) фирма JET, модель GH-1640ZX (Китай) (рис. 1, а). В качестве режущего инструмента выбран сборный токарный проходной резец с механическим креплением режущей пластинки. Для этого использована державка PCLNR2525-M12 и сменные многогранные пластины CNMG 120408-46 производства фирмы Сандвик МКТС (Россия) из твердого сплава типа ВК8 (рис. 1), подвергнутые облучению разными дозами гамма-квантов, при точении заготовок из легированной стали 40Х и титанового сплава ВТ20 в состоянии поставки.
В лаборатории резания технологического техникума при предприятии АО "ОДК-ПМ" (Пермь) исследования износостойкости таких же пластин проводились на универсальном токарно-винторезном станке с бесступенчатым регулированием скорости резания ИЖ 250ИТВМ.01 при точении титанового сплава ВТ20 (рис. 2, а) и при точении титанового сплава ВТ6 облученными гамма-квантами токарными резцами с напайными пластинами сплава ВК8 (рис. 2, б) с целью изучения влияния переточки этих резцов на изменение износостойкости. Кроме того, здесь же на токарном станке с ЧПУ мод. ЕТАSIS (Китай) проведены исследования износостойкости аналогичных модифицированных сменных пластин из сплава ВК8 при точении заготовок из нержавеющей стали 30Х13 в состоянии поставки.
В испытательной лаборатории инструментального предприятия ООО «Кировградский завод твердых сплавов» (КЗТС Свердловская обл.) сравнительные исследования износостойкости режущих многогранных пластин после модификации проводились специалистами предприятия на универсальном станке мод. 16К20 при точении чугунных заготовок СЧ 25 и на станке с ЧПУ Оkuma 16М30Ф3 при точении специальных заготовок из стали 45 по методике предприятия. На предприятии КЗТС для сравнительных испытаний предложили сравнить износостойкость до модификации и после облучения твердосплавных режущих пластин своего производства CNMA 120408 B35-85445 при обработке чугунных заготовок из СЧ25 и пластин CNMG 120408 PM TC23 PT-P-37 при точении стали 45.
Режимы резания заготовок выбраны на основе рекомендаций каталогов фирмы Сандвик МКТС и КЗТС, а также из опыта предприятий машиностроения.
Износ токарных пластин измерялся по задней поверхности со стороны главной режущей кромки (ГРК), вспомогательной режущей кромки (ВРК) и вершины резца (В) предварительно лупой Бринеля, окончательно – на электронного микроскопа PSE 200 с увеличением 50х…200х. Общий вид процесса измерения износа и примеры фотографий износа и выкрашивания режущих кромок представлены на рис. 3.
Обработка заготовок проводилась до появления износа, не превышающего
0,4…0,5 мм. При этом рассчитывался путь и время резания до предельного износа.
Сравнительные исследования поверхностной твердости модифицированных пластин твердого сплава проводились ультразвуковым твердомером марки. Исследования химического состава и остаточных напряжений в твердом сплаве образцов из материала типа ВК8 проводились на оборудовании лаборатории многофункциональных материалов Уфимского университета науки и технологий. Исследования химического состава образцов твердого сплава типа ВК8 проводились с применением энергодисперсионного метода на растровом электронном микроскопе JeolJSM с соответствующей приставкой.
Исследования и оценку поверхностных остаточных напряжений на исследуемых пяти образцах (рис. 4, а) проводили неразрушающим методом по схеме, показанной на
рис. 4, б, путем рентгеноструктурного анализа различных поверхностей с помощью специального дифрактометра Уран-100.
На дифрактометре используется рентгеновская трубка с V излучением. Анодное напряжение 16 кВ, ток 150 мкА. Выбрана линия дифракции плоскости (111), соответствующая углу θ0 = 76,1 º. Каждая область поверхностей образца измерялась по шести углам наклона y = 0 ⁰, 10 ⁰, 20 ⁰, 30 ⁰, 40 ⁰, 45 ⁰. При измерении глубина проникновения излучения 5 мкм, размер пятна 4 мм. В соответствии со схемой на рис. 2, а проведены измерения остаточных поверхностных напряжений в четырёх точках каждого образца. Образец под номером 1 не модифицирован. По результатам измерения углов дифракции θ для шести углов наклона y = 0 ⁰, 10 ⁰, 20 ⁰, 30 ⁰, 40 ⁰, 45 ⁰,
строился график степени деформации, вычислялась линия тренда и значение остаточного напряжения.
Анализ и обсуждение
- Исследование влияния
облученгамма-квантами на изменения
физико-химических свойств
твердого сплава
На первом этапе проведены исследования химического состава и структуры твердого сплава, чтобы убедиться, что исследуется именно твердый сплав типа ВК8. Кроме того, сравнивались результаты химсостава модифицированного сплава (образец № 2) и немодифицированного сплава (эталон). Результаты энергодисперсионного анализа, проведенного для образцов под № 1 (эталон) и модифицированного образца № 2, представлены в табл. 1.
В результате анализа данных таблицы 2 установлено, что исследуемые твердые сплавы по химическому составу соответствуют твердому сплаву ВК8. Кроме того, установлено практически отсутствие влияния облучения гамма-квантами на изменение химического состава твердого сплава ВК8. Однако в различных точках исследуемых спектров твердого сплава можно видеть значительные отклонения процентного содержания углерода, вольфрама и кобальта.
Сравнительные осредненные результаты исследований поверхностной твердости пластин до и после модификации приведены в табл. 2.
В результате анализа данных таблицы 3 установлено, что в исследованном диапазоне доз облучения отсутствует значимая закономерность по их влиянию на твердость материала. Разброс значений твердости находится в пределах среднего значения 41,34 HRC. Эти результаты также коррелируют с данными работы [19].
Результаты измерения остаточных напряжений в исследуемых модифицированных образцах № 2, 3, 4 и немодифицированном образце № 1 представлены в табл. 3.
Анализ данных таблицы 4 показал, что остаточные сжимающие напряжения на трех модифицированных образцах № 2, № 3 и № 5 незначительно увеличились на 5…7 %, а у образца № 4 уменьшились по сравнению с немодифицированным образцом № 1.
2. Исследование влияния
облучения твердосплавных токарных
резцов на повышение износостойкости при точении различных сталей и сплавов
В результате проведения предварительных длительных стойкостных исследований влияния различных доз облучения гамма-квантами установлено, что из четырех рассмотренных режимов облучения различными дозами гамма-квантов наибольший эффект по повышению износостойкости твердого сплава ВК8 обеспечивается на режиме облучения Ввоздух. Поэтому этот режим облучения принят как самый рациональный и все последующие исследования износостойкости твердосплавных резцов проводились резцами, облученными по режиму Ввоздух. По результатам сравнительных исследований износостойкости модифицированных и немодифицированных резцов строились и анализировались графики комплексного износа резцов по задней поверхности со стороны главной режущей кромки (ГРК), вспомогательной режущей кромки (ВРК) и вершины резца (В). Пример построения такого сравнительного графика изменения износа модифицированных (М) и немодифицированных (О) режущих пластин при точении образцов из легированной стали 40Х в лаборатории резания ПНИПУ на одних и тех же режимах резания представлен на рис. 6. По данным графика можно установить, что износостойкость режущих модифицированных пластин (М) повысилась в не менее двух раз по сравнению с немодифицированными пластинами (О) твердого сплава ВК8.
Общие результаты длительных стойкостных сравнительных исследований износостойкости токарных резцов из твердого сплава ВК8 при точении различных сталей и сплавов в различных лабораториях резания приведены в сводной таблице 4.
В результате анализа полученных данных шести сравнительных испытаний на износостойкость модифицированных токарных резцов при точении различных сталей и сплавов в лабораторных и производственных условиях на соответствующих рациональных режимах резания без применения СОЖ установлено безусловное повышение износостойкости токарных резцов из твердого сплава ВК8 в 1,5 − 2,5 раза в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала и применяемого оборудования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам проведенных исследований можно сделать выводы:
1. Как следует из вышеизложенного описания возможных механизмов воздействия гамма-квантов на материал, по мнению авторов, повышение износостойкости твердого сплава ВК8 вызвано механизмом стока несовершенств в совокупности с процессами их аннигиляции. Это приводит к уменьшению количества дефектов и перестройке структуры кристаллических тел в новое упорядоченное состояние, существенно повышая при этом межзеренную адгезию и снижая уровень накопленных микронапряжений. Данное утверждение косвенно подтверждают результаты испытаний образцов на изменение электросопротивления до и после модификации, а также повышение поверхностных сжимающих остаточных напряжений.
2. Износостойкость модифицированных резцов возрастает от 1,5 до 2,5 раз в зависимости от обрабатываемого материала и режимов резания. Возможно, что необходимая доза гамма-облучения, приводящая к наибольшему эффекту повышения эксплуатационных характеристик, для каждого обрабатываемого металлического материала является темой отдельного исследования. Однако, общая тенденция повышения износостойкости режущего инструмента после радиационной модификации материала не вызывает сомнения и ее можно использовать в практике повышения эффективности
1. Ободовский И.М. Радиационные технологии. Применение в лабораторных исследованиях, материаловедении и нанотехнологиях. М: ИД Интеллект, 2015. 296 с.
2. Keizo M., Song C. Radiation processing of polymer materials and its industrial applications. Published by Jong Wiley and Sons Inc. Hoboken, New Jersey (2012).
3. Naikwadi A.T., Sharma B.K., Keyur D. Bhatt K. D., Mahanwar P.A. Gamma radiation processed polymeric materials for high performance applications: A Review. Frontiers in Chemistry. Published 10, (2022).
4. Онискив В.Д., Столбов В.Ю., Макаревич Ю.Л., Чунаев В.Ю. Некоторые результаты исследования прочности и радиационной стойкости углеродо-базальтового композиционного материала // Все материалы. 2024. № 3. С. 11−16.
5. Клопотов А.А., Тимошников Ю.А., Иванов Ю.Ф. Влияние облучения гамма-квантами на структурно-фазовое состояние сплава ВК-8 // Вестник Омского университета. 1999. Вып. 2. С. 29−31.
6. Feynman R., Leighton R., Sands M. Feynman Lectures on Physics 9. Quantum Mechanics. 2nd edn. MIR Moscow (1965).
7. Тимошенко Ю.А., Клопотов А.А., Иванов Ю.Ф. Изменение структурно-фазового состояния сплава ВК-8 под действием потока гамма-квантов. // Известия вузов. Черная металлургия. 2001. № 4. С. 40−43.
8. Чернов И.П., Тимошенков Ю.А., Мамонтов А.П., Коротченко В.А., Лапскер И.А., Семухин Б.С. Изменение структуры сплава ВК при воздействии малых доз гамма-облучения. // Атомная энергия. 1984. Том 57. Вып. 1. С. 59−68.
9. Осколкова Т.Н., Глезер А.М. Современное состояние научной проблемы поверхностного упрочнения карбидовольфрамовых твердых сплавов (обзор). // Известия вузов. Черная металлургия. 2017, том 60, № 12. С. 980−991.
10. Чернов И.П., Мамонтов А.П. Упорядочение структуры кристаллов ионизирующим излучением (эффект малых доз ионизирующего излучения) // Известия Томского политехнического университета. 2000. Том 303 (1). С. 74-80.
11. Oniskiv V., Stolbov V., Ibragimova E. Effect of gamma irradiation on morphology and local element composition of basalt-based composite material // Journal of Digital Science . 5 (2), 2023.
12. Ермолаев В.А., Мамонтов А.П., Рябчиков С.Я. Особенности структуры и текстуры твёрдых сплавов до и после гамма-облучения. Деп. М.: ЦНИИ эконом. и информ. цветн. металлургии, № 1771. БУ ВИНИТИ «Депонированные научные работы», № 10 (156), 1984. 28 с.
