«Вдосконалення технології модифікування поверхні твердосплавного інструменту електронно-променевим легуванням»

Сириця, Вадим Юрійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9393

Title:	«Вдосконалення технології модифікування поверхні твердосплавного інструменту електронно-променевим легуванням»
Authors:	Мацепа, Сергій Михайлович Сириця, Вадим Юрійович
Keywords:	Електронно-променеве легування
Issue Date:	2023
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Вдосконалення технології модифікування поверхні твердосплавного інструменту електронно-променевим легуванням». Виконавець: здобувач групи мНТ-81 Сириця Вадим Юрійович. Керівник: старший викладач Мацепа Сергій Михайлович Кваліфікаційна робота містить 104 сторінки формату А4, 48 рисунків, 3 таблиці, 71 літературних джерел В кваліфікаційній роботі магістра розглянуто питання підвищення експлуатаційних властивостей зносостійкості інструментів з твердих сплавів ВК8 і Н13A (аналог ВК6ОМ) і твердосплавних свердл ВК8. В роботі розглянуто такі питання: - порівняльний аналіз шляхів підвищення зносостійкості інструментів з твердого сплаву та особливості їх зносу; - методи поверхневого зміцнення ріжучих елементів з твердосплавних інструментів: (механічне зміцнення, хіміко-термічна обробка, обробка ультразвуком, нанесення зносостійких покриттів, Фізико-хімічне зміцнення за допомогою обробки КПЕ); - методики комплексної обробки твердосплавних пластин зі сплаву ВК8 і пластин Н13A (аналог ВК6ОМ), визначення мікроструктури легованого шару твердосплавних пластин зі сплаву ВК8 і пластин Н13А (аналог ВК6ОМ) та визначення ріжучих властивостей твердосплавних пластин з ВК8, пластин Н13A (аналог ВК6ОМ) і свердел з ВК8. Технологічна частина має повний опис впливу мікролегування за допомогою низькоенергетичного потужнострумового електронного пучка на структуру твердих сплавів ВК8 і Н13А, комплексної обробки на ріжучу здатність твердосплавних пластин. Розроблено ефективні технологічні рішення для оптимізації мікролегування поверхні ріжучих пластин з ВК8 і пластин Н13A. Показаний процес свердління синтеграна цільними твердосплавними свердлами з ВК8 з комплексною обробкою ріжучої частини. В розділі Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях розглянуто вимоги до робочого місце оператора електронно-променевого напилення.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9393
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Сириця.pdf Restricted Access		3.98 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв

До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2023р.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра

на тему: «Вдосконалення технології модифікування поверхні твердосплавного
інструменту електронно-променевим легуванням»

Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-81
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за
спецтехнологіями»
Сириця Вадим Юрійович
Керівник: старший викладач Мацепа Сергій
Михайлович
Рецензент: провідний інженер ДП «Семпал»
м.Черкаси
Якушев Іван Володимирович

Черкаси 2023 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями»

ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2023р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

_Сириці Вадиму Юрійовичу_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Вдосконалення технології модифікування поверхні
твердосплавного інструменту електронно-променевим легуванням».
Керівник роботи Мацепа Сергій Михайлович, ст. викладач
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«10» жовтня 2023р. №271/04
2. Термін подання здобувачем роботи 05. 12. 2023 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія електронно-променевого легування
4. Зміст пояснювальної записки: Порівняльний аналіз шляхів підвищення
зносостійкості інструментів з твердого сплаву; Сутність та етапи
проектування технологічного процесу модифікування інструменту з твердого
сплаву; Особливості впливу електронних пучків на твердий сплав; Охорона праці
та безпека в надзвичайних ситуаціях.
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо) Тема, мета, задачі; Загальний вигляд
та конструкція твердосплавних пластин, що потребують зміцнення;
Обладнання для поверхневого легування виробів сплавом NbHfTi; Блок
синтеграна на оброблюваному центрі під час обробки; Поверхня пластини ВК8
до обробки; Структура поверхні твердосплавних пластин після легування;
Утворення багатокомпонентного сплаву; Зміни розміру заготовки при
торцевому точінні сталі 40Х; Знос ріжучих пластин Н13А при точінні
жароміцного сплаву; Зміни в процесі обробки рівнодіючої сили різання; Графіки
залежностей; ОП та ЦЗ; Висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 2 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 3 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович

7. Дата видачі завдання 04.09.2023 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 04.09-01.10.2023
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2023
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2023
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2023
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2023
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 30.11.2023
7 Оформлення графічної документації 30.11 – 04.12.2023
8 Захист роботи ___.12.2023р.

Здобувач ___________ __Вадим СИРИЦЯ__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ ___Сергій МАЦЕПА__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

4
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Вдосконалення технології
модифікування поверхні твердосплавного інструменту електронно-
променевим легуванням».
Виконавець: здобувач групи мНТ-81 Сириця Вадим Юрійович.
Керівник: старший викладач Мацепа Сергій Михайлович
Кваліфікаційна робота містить 104 сторінки формату А4, 48 рисунків, 3
таблиці, 71 літературних джерел
В кваліфікаційній роботі магістра розглянуто питання підвищення
експлуатаційних властивостей зносостійкості інструментів з твердих сплавів
ВК8 і Н13A (аналог ВК6ОМ) і твердосплавних свердл ВК8.
В роботі розглянуто такі питання:
- порівняльний аналіз шляхів підвищення зносостійкості інструментів з
твердого сплаву та особливості їх зносу;
- методи поверхневого зміцнення ріжучих елементів з твердосплавних
інструментів: (механічне зміцнення, хіміко-термічна обробка, обробка
ультразвуком, нанесення зносостійких покриттів, Фізико-хімічне зміцнення
за допомогою обробки КПЕ);
- методики комплексної обробки твердосплавних пластин зі сплаву ВК8
і пластин Н13A (аналог ВК6ОМ), визначення мікроструктури легованого
шару твердосплавних пластин зі сплаву ВК8 і пластин Н13А (аналог
ВК6ОМ) та визначення ріжучих властивостей твердосплавних пластин з
ВК8, пластин Н13A (аналог ВК6ОМ) і свердел з ВК8.
Технологічна частина має повний опис впливу мікролегування за
допомогою низькоенергетичного потужнострумового електронного пучка на
структуру твердих сплавів ВК8 і Н13А, комплексної обробки на ріжучу
здатність твердосплавних пластин. Розроблено ефективні технологічні
рішення для оптимізації мікролегування поверхні ріжучих пластин з ВК8 і
пластин Н13A. Показаний процес свердління синтеграна цільними
твердосплавними свердлами з ВК8 з комплексною обробкою ріжучої
частини.
В розділі Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях розглянуто
вимоги до робочого місце оператора електронно-променевого напилення

5
ABSTRACT
The topic of the master's qualification work: "Improving the technology of
modifying the surface of a hard alloy tool by electron-beam alloying."
Performer: winner of the MNT-81 group Syritsa Vadim Yuriyovych.
Leader: senior teacher Matsep Serhiy Mykhailovych
The qualification work contains 104 pages of A4 format, 48 figures, 3 tables,
71 literary sources
In the master's qualification work, the question of increasing the operational
properties of the wear resistance of tools made of VK8 and H13A hard alloys (an
analogue of VK6OM) and VK8 hard alloy drills was considered.
The following questions are considered in the work:
- a comparative analysis of ways to increase the wear resistance of hard alloy
tools and their wear characteristics;
- methods of surface hardening of cutting elements made of hard alloy tools:
(mechanical hardening, chemical-thermal treatment, ultrasound treatment,
application of wear-resistant coatings, physical-chemical strengthening with the
help of KPE processing);
- methods of complex processing of VK8 alloy carbide plates and H13A
plates (similar to VK6OM), determination of the microstructure of the alloyed
layer of VK8 alloy carbide plates and H13A plates (similar to VK6OM) and
determination of the cutting properties of VK8 carbide plates, H13A plates (similar
to VK6OM) and drills from VK8.
The technological part has a complete description of the influence of
microalloying with the help of a low-energy high-current electron beam on the
structure of VK8 and H13A hard alloys, complex processing on the cutting ability
of hard alloy plates. Effective technological solutions have been developed to
optimize microalloying of the surface of VK8 and H13A cutting plates. The
process of drilling a synintegran with one-piece carbide drills made of VK8 with
complex processing of the cutting part is shown.
In the section Occupational health and safety in emergency situations, the
requirements for the workplace of an electron beam sputtering operator are
considered

6
ЗМІСТ
Вступ………………………………………………………………………….8
Розділ1. Оглядова частина…………………………………………………..8
1.1 Порівняльний аналіз шляхів підвищення зносостійкості інструментів
з твердого сплаву………………………………………………………………...10
1.2 Особливості зносу твердосплавного інструменту…………………...10
1.3 Методи поверхневого зміцнення ріжучих елементів твердосплавних
інструментів……………………………………………………………………...12
1.4 Механічне зміцнення…………………………………………………..15
1.5 Фізико-хімічне зміцнення за допомогою обробки КПЕ……………..19
Розділ 2. Методика досліджень……………………………………………31
2.1 Твердосплавні пластини зі сплаву ВК8 і Н13A (аналог ВК6ОМ) і
твердосплавні свердла ВК8……………………………………………………..31
2.2 Методика комплексної обробки твердосплавних пластин зі сплаву
ВК8 і пластин Н13A (аналог ВК6ОМ)…………………………………………33
2.3 Методика визначення мікроструктури легованого шару
твердосплавних пластин зі сплаву ВК8 і пластин Н13А (аналог ВК6ОМ)….42
2.4 Методика визначення ріжучих властивостей твердосплавних пластин
з ВК8, пластин Н13A (аналог ВК6ОМ) і свердел з ВК8………………………44
Розділ 3. Дослідницька частина…………………………………………...49
3.1 Особливості впливу електронних пучків на твердий сплав…………49
3.2 Вплив мікролегування за допомогою низькоенергетичного
потужнострумового електронного пучка на структуру твердих сплавів ВК8 і
Н13А……………………………………………………………………………...51
3.3 Вплив комплексної обробки на ріжучу здатність твердосплавних
пластин зі сплаву ВК8, пластин Н13А (аналог ВК6ОМ) і твердосплавних
свердел із ВК8……………………………………………………………………69
3.3.1 Оптимізація технології мікролегування поверхні ріжучих пластин з
ВК8 і пластин Н13A (аналог ВК6ОМ)…………………………………………69
7
3.3.2 Дослідження властивості твердосплавної пластини Н13А (аналог
ВК6ОМ) після комплексної обробки при різанні жароміцних сплавів
ХН73МБТЮ та ХН67ВМТЮ…………………………………………………...73
3.3.3 Дослідження процесу свердління синтеграна цільними
твердосплавними свердлами з ВК8 з комплексною обробкою ріжучої
частини…………………………………………………………………………...82
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях…………87
4.1 Вимоги охорони праці під час оброблення металів різанням……….87
4.2. Робоче місце оператора електронно-променевого напилення……...90
4.3 Заходи безпеки під час роботи устаткування………………………...91
4.4 Заходи щодо запобігання небезпеки ураження електричним
струмом…………………………………………………………………………...91
4.5 Освітлення виробничих приміщень…………………………………..93
4.6 Вплив метеорологічних умов на самопочуття і працездатність
робітників задіяних на виробництві……………………………………………93
Висновки……………………………………………………………………95
Список використаної літератури………………………………………….97

8
ВСТУП
З кожним роком в сучасному автоматизованому машинобудівному
виробництві все більш важливу роль відіграє впровадження інноваційних
технологій, що дозволяють значно підвищувати продуктивність обробки.
Ріжучий інструмент є одним з вузькопрофільних в технологічних
системах автоматизованого виробництва. Дослідження показують, що
найбільша частка відмов технологічних систем металообробки пов'язана з
відмовами ріжучих інструментів - катастрофічним зносом і зламом. У зв'язку
з тим, що відмова інструменту зазвичай відбувається значно раніше
зношування деталей і вузлів технологічного обладнання (верстатів,
пристосувань і т.д.), саме через інструмент, якщо не буде виконана його
вчасна заміна, обов'язково станеться збій технологічної системи в цілому. У
той же час використання сучасного високопродуктивного та якісного
ріжучого інструменту підвищеної надійності, дозволяє помітно збільшити
ефективність автоматизованого виробництва і надійність його
функціонування.
Основним інструментальним матеріалом, що забезпечує
високопродуктивну обробку матеріалів різанням в сучасному
машинобудуванні - є тверді сплави. Твердосплавним інструментом
знімається три чверті всієї стружки (із усього об’єму стружки, що знімається
інструментами з усіх наявних інструментальних матеріалів).
З появою все більш важкооброблюваних матеріалів з'являється потреба
в твердих сплавах з більш високою твердістю, формостійкістю і
зносостійкістю. При цьому необхідно не тільки створювати новий інструмент
з покращеними властивостями, але й удосконалювати якість найбільш
поширених марок твердого сплаву. Подальший розвиток технології
поверхневого зміцнення металів і сплавів пов'язують з розробкою
комбінованих процесів, що включають послідовно кілька методів
модифікації матеріалу, щоб отримати поєднання властивостей, яке
неможливо отримати в окремому застосуванні цих технологій. За допомогою
9
таких методів обробки, можна істотно змінити фізико-механічні,
теплофізичні та хімічні властивості вихідного інструментального матеріалу,
його взаємодію з поверхнею заготовки.
При суміщенні процесів обробки поверхні концентрованими потоками
енергії та нанесення зносостійкого покриття, виникає можливість підвищити
експлуатаційні властивості продукції, що виготовляється з одночасним
підвищенням точності та продуктивності технологічного процесу обробки в
цілому. Завдяки комбінованій обробці вдається отримати шар, що забезпечує
підвищену стійкість і мінімальну інтенсивність зношування робочих
поверхонь інструменту. Істотне підвищення зносостійкості і міцності
твердосплавного інструменту, досягається цілеспрямованим використанням
високотехнологічних, фізико-хімічних методів поверхневого зміцнення
твердих сплавів.
Мета роботи полягає в збільшенні продуктивності змінних
багатогранних пластин ВК8, Н13А і цілісних твердосплавних свердел (ВК8)
за рахунок підвищення стійкості при використанні комбінованої обробки, що
включає в себе комплексне модифікування поверхні інструменту електронно-
променевим легуванням сплавом NbHfTi з подальшим нанесенням
зносостійкого покриття (TiAl) N на установці Platit π80.
Для досягнення мети необхідно вирішити такі наукові завдання:
1. Розробити технологію отримання модифікованого поверхневого шару
легування карбідоутворюючими елементами IV-V груп за допомогою
низькоенергетичного потужнострумового електронного пучка на ріжучих
пластинах із твердого сплаву.
2. Здійснити комбіновану обробку зі сплаву ВК8 і Н13А і свердел зі
сплаву ВК8 на основі електронно-променевого легування сплавом
Nb70Hf222Ti8 і подальшого нанесення зносостійкого покриття (TiAl) N.
3. Науково обґрунтувати рекомендації щодо підвищення продуктивності
різання твердосплавним інструментом з комплексної обробкою.

10
Розділ 1. Оглядова частина
1.1 Порівняльний аналіз шляхів підвищення зносостійкості
інструментів з твердого сплаву
1.2 Особливості зносу твердосплавного інструменту
Незважаючи на високу стійкість до зношування, твердосплавні пластини
все ж схильні до зносу і поломок. При цьому на поломки, сколювання і
розкришення ріжучого елемента припадає до 80% випадків збоїв. Крім того в
процесі виробництва твердих сплавів виникає ряд дефектів структури. Тверді
сплави виготовляються методами порошкової металургії - спікання сумішей
високодисперсних частинок хімічних сполук з порошком металевої зв'язки.
Технологія порошкової металургії практично доведена до досконалості, але
всі тверді сплави мають один недолік - наявність залишкової мікропористості
(концентраторів внутрішніх напруг і центрів виникнення субтильних тріщин,
що обмежують можливість підвищення експлуатаційних характеристик
інструменту, які залежать як від режиму спікання, так і від характеристик
матеріалів що спікаються [3].
В результаті досліджень виявлено особливості ушкоджень
інструментів[4]. Превалюючий знос зазвичай з'являється на задній або на
передній поверхні інструменту, що пов'язано з умовами різання і
властивостями інструментального та оброблюваного матеріалів. По передній
поверхні інструмент зношується наступним чином: на деякій відстані від
різального краю утворюється лунка з поступовим збільшенням її розмірів.
Коли зношується задня поверхня інструменту, утворюються паралельні
поздовжні поглиблення (проточини), як правило, починаючи від ріжучого
краю і розташовані уздовж лінії дії сили різання. У зносі інструменту,
виникнення лунок проявляється найчастіше. Знос на будь-яких поверхнях
інструменту призводять до зміни геометрії різання, спотворення ріжучої
кромки. Збільшується шорсткість обробленої поверхні, змінюються розміри
оброблюваної деталі, перевищуються допустимі показники сили різання і
температури.
11
Численні дослідження в області обробки металів різанням показують,
що основними видами зношування різального інструменту є адгезійні та
абразивні, причому їх супроводжують явища, пов'язані з дифузійними
процесами. Залежно від умов різання зазвичай один з видів зношування стає
переважаючим, хоча при цьому можуть бути задіяні й інші.
Процесами зносу інструменту при різанні займалися багато вчених (A.A.
Аваков, Т.М. Лоладзе, А.Д. Макаров, М.B. Талантів,
П.І. Ящеріцин та ін.). Експерименти показують, що адгезійний знос при
різанні відбувається за рахунок «вирваних» частинок матеріалу з поверхні
оброблюваної деталі. Ці «вирвані» частинки переносяться на поверхню
інструменту і утворюють на ній нарости високої твердості. У той же час
частинки переносяться і назад з поверхні інструменту на поверхню
оброблюваного матеріалу. Під час різання утворюються нарости, вони є
нестабільними і безперервно взаємодіють з матеріалом деталі, залишаючи
лунки в місцях тертя. Нарости, зазвичай, утворюються безпосередньо біля
різального краю різця, саме тут має місце найбільш сильне викривлення.
Для ріжучого інструменту, що працює при значних навантаженнях на
поверхні, істотним є не тільки висока твердість поверхневого шару, скільки
пластичність. Крихкий інструмент не працездатний при динамічних
навантаженнях, а вони неминучі в реальних умовах виробництва, процесах
різання. Сколювання частинок високої твердості з поверхні, що піддається
значним контактним навантаженням - це процес утворення абразивів, які
інтенсивно руйнують поверхню деталі [5].
Пошкодження при абразивному зносі проявляються у вигляді подряпин
або лунок на робочих поверхнях ріжучої частини різця. Аналіз типів
пошкоджень та їх причин дозволяють виявити такі особливості.
Пошкодження можуть утворитися в результаті механічної дії
надтвердих включень (карбідів і оксидів), наявних у структурі оброблюваної
заготовки. У процесі різання тверді включення будуть працювати, як
абразивний інструмент, проникаючи в поверхню інструменту і дряпаючи
12
його. Якщо твердість ріжучої частини різця знижується через тепло, то
походження дряпаючої дії збільшується. Зрозуміло, не останню роль тут
відіграють розміри твердих включень і характер їх розподілу.
У той же час пошкодження можуть утворитися й у вигляді подряпин,
канавок, витягнутих лунок. Частинки, що з’явилися в результаті
деформаційного зміцнення твердості, істотно перевищують твердість
зовнішніх шарів ріжучої поверхні інструменту, до того ж переносять при
різанні збільшений нагрів, тому також діють, як абразив.
Походження деяких впливів адгезивного і абразивного зносу можна
вважати приблизно рівними. При цьому причина адгезивного зносу -
адгезивне спікання, що виникає за рахунок ковалентних, металевих, іонних
та міжмолекулярних зв'язків, y абразивного зношування - адгезивне спікання
з відколюванням твердих частинок, які утворюють на поверхні оброблюваної
заготовки дрібні дефекти проте у великій кількості.
Таким чином, збільшення твердості інструменту і зниження коефіцієнта
тертя при різанні, сприятливо позначаються на зносостійкості інструменту.
1.3 Методи поверхневого зміцнення ріжучих елементів
твердосплавних інструментів
Автоматизація технологічних процесів різання металів прогресивними
методами обробки, впровадження нових матеріалів і сплавів в
машинобудуванні, призвели до появи нових невирішених завдань і проблем в
галузі металообробки різанням. Одним із завдань є недостатність міцності
твердосплавних різців, яке стає більш актуальним за рахунок широкого
застосування високопродуктивних різальних сплавів, у яких стійкість
найчастіше обмежується умовою крихкого руйнування робочої поверхні.
Твердосплавні різці широко використовують у машинобудуванні, так як
вони забезпечують високу продуктивність сучасного обладнання
металообробки за рахунок підвищення швидкості обробки різання до 5 разів
у порівнянні з інструментами швидкорізальних сталей. Тверді сплави, що
мають високу твердість і теплостійкість дають можливість обробляти
13
різанням деталі з надтвердих сталей і важкооброблюваних конструкційних
заготовок[6]. Однак, тверді сплави мають недостатню вихідну механічну
міцність, яка зменшується в процесі виготовлення та операцій ріжучих
інструментальних засобів. Все це може призводити до дострокового
пошкодження ріжучих частин інструментів, виготовлених з твердих сплавів.
Для істотного підвищення зносостійкості і міцності твердосплавних
різців застосовують традиційні та нові технологічні процеси, такі як
високотехнологічні фізико-хімічні методи поверхневого зміцнення.
Розвитком методів модифікування інструментальних матеріалів займалися
такі вітчизняні вчені Верещака А.С., Григор'єв С.М., Кремньов Л.С.,
Барвінок В.А., Андрєєв А.А., та ін.
При обробці поверхонь твердих сплавів, механічна, світлова енергія та
енергія заряджених часток не зворотно перетворюються на теплову. При
цьому частина енергії може виділятися на поверхневе зняття, частина – не
зворотно втрачається у вигляді теплоти, а частина - перетворюється в
поглинену приховану енергію і залишається в тонкій поверхні деталі у складі
дефектів і структурних змін, які призводять до зміцнення металу. Статус
модифікованих зміцнених поверхонь оцінюється розміром, знаком і
природою розподілу залишкових напруг, змінами в кристалічній структурі,
діапазоном дефектних складових фаз та ін.
Зараз багато досліджень ведеться в області вдосконалення процесів, що
дозволяють покращити міцність і пластичні характеристики матеріалів, та
оптимізувати режими зміцнюючої обробки, для отримання комплексних
властивостей поверхні, що володіє необхідними характеристиками, оскільки
сучасні інструментальні матеріали частіше виготовляються зі зміцненими
ріжучими елементами або нанесеними покриттями на робочі поверхні.
Вплив методів зміцнення поверхневого шару на контакт взаємодії різця
з оброблюваною деталлю є комплексним. Ефективність застосовуваних
методів зміцнення, характерних для більшості способів зміцнюючої
поверхневої обробки різального інструменту, визначають такі чинники:
14
зниження температури, сил різання і коефіцієнта тертя, поліпшення
характеристик міцності матеріалу основи, збільшення теплостійкості і
твердості, зменшення спікання з оброблюваною деталлю та ін.
В основі методів зміцнення матеріалів лежить створення на робочих
гранях різця додаткової вторинної структури (покриття на основі карбідів,
нітридів, оксидів металів), що дозволяє отримати підвищення міцності
адгезійного взаємозв'язку покриття з інструментальною основою,
формування заслону для взаємного розчинення інструментального та
оброблюваного матеріалів, запобігання надвпливу на інструмент основи
ефекту високих температур різання, на вплив теплоізоляційних покриттів та
ін. Таким чином, вибір методу поверхневої модифікації інструментального
матеріалу, умов і параметрів його реалізації для підвищення експлуатаційних
властивостей являє собою багатофакторну задачу, при якій дуже важливо
вирішити питання раціонального поєднання режимів роботи різця з
режимами зміцнення його поверхневої обробки, що створює оптимальний
комплекс властивостей поверхні, який бере участь в контактній взаємодії при
різанні.
Таким чином, вибір методу поверхневої модифікації інструментального
матеріалу, умов і параметрів його реалізації для підвищення експлуатаційних
властивостей, являє собою багатофакторну задачу, при якій дуже важливо
вирішити питання раціонального поєднання режимів роботи різця з
режимами його зміцнюючої поверхневої обробки, що створює оптимальний
комплекс властивостей поверхні, котра бере участь в контактній взаємодії
при різанні [16].
Найбільш ефективним шляхом формування «ідеальних властивостей»
інструментального матеріалу є застосування сучасних методів поверхневої
модифікації властивостей матеріалу.
До таких методів належать:
- хіміко-термічна обробка;
- механічне та фізичне зміцнення та фізико-хімічна обробка;
15
- нанесення зносостійких покриттів;
- комбінована обробка, що поєднує фізичний і хіміко-термічний вплив з
нанесенням зносостійких покриттів.
В даний час використовується кілька основних способів поліпшення
властивостей інструментальних матеріалів: механічний, хіміко-термічний та
ультразвуковий вплив, нанесення зносостійких покриттів, а також фізико-
хімічне зміцнення за допомогою обробки концентрованими потоками енергії
(КПЕ).
1.4 Механічне зміцнення
В основі методу механічного зміцнення лежать використання
поверхнево-пластичних деформацій робочих поверхонь інструменту в ході
обкатки роликами, дробильно-струминної обробки, вібраційної обробки, а
також ультразвукового обкатування, алмазного шліфування і т.д. [17].
Методи поверхневого пластичного деформування (ППД):
дробоструминною [18,19] та вібраційною [20,21] обробкою
використовуються для поліпшення робочих властивостей твердосплавного
різця, який руйнується значною мірою через втомні явища. Дробильно-
струминна обробка різців значно знижує кількість їх зламів і в 2,0-2,5 рази
збільшує сумарну стійкість різця. Як правило, сплави, використовувані в
гірничодобувній промисловості обов'язково піддаються вібраційній обробці.
При цьому віброабразивна обробки найбільш ефективно діє з використанням
додаткової зміцнюючої операції в середовищі, де застосовуються
твердосплавні кульки в якості наповнювача. У цьому випадку вплив
зміцнюючої обробки пов'язаний із виникненням стискаючих напруг і
пластичною деформацією складових сплаву фаз. Важливим достоїнством
вібраційного методу є універсальність удару зміцнюючого агента, що
забезпечує рівномірне зміцнення деталі складної форми.
В результаті рентгенографічних досліджень поверхневих слоїв твердих
сплавів після дробильно-струминного зміцнення виявлено значні зміни в
складі кобальтової і карбідної фаз, що досягають глибини до 0,25 мм. У Со
16
фазі величина напруг, становить величину порядку 0,02 ГПа. Дані напруги
виникають під час спікання твердосплавного виробу і пізніше поступаються
місцем стискаючим напругам (-0,04 ГПа). Величина вихідних стискань
напруг в карбідній фазі сильно підвищується з 0,02 ГПа до 0,12 ГПа, тобто
дробильно-струминна обробка суттєво змінює структуру фази карбіду [22].
Після 1 години обробки величина мікронапруг може зрости майже в два рази.
Застосування методів поверхневого пластичного деформування (ППД)
збільшує динамічну і статичну міцність твердих сплавів. Характер і режим
обробки визначають величину підвищеної міцності.
У більшості випадків початковий стан поверхневого шару твердих
сплавів впливає на ефективність зміцнення більшою мірою, ніж режими
подальшої обробки. Особливо сильно впливає на ефективність їх зміцнення
рівень поверхневих залишкових розтягуючих напруг. Чим більша їх кількість
в приповерхневому шарі, тим більш помітний їх вплив на ефективність
зміцнення, що, відповідно, призводить до погіршення експлуатаційних
характеристик твердосплавних виробів.
Після зміцнення методами ППД експлуатаційні характеристики
твердосплавного ріжучого інструменту покращуються. Особливо після
дробильно-струминної обробки, збільшується опір поверхні твердосплавного
інструменту до крихкого руйнування, оскільки при різанні, руйнування
починається на передній поверхні різця [23]. З появою залишкових
розтягуючих напруг в кобальті утворюються тріщини [24], які поширюються
в кобальтові шари через карбідні зерна. В результаті обробки, напруги
розтягнення змінюються стискаючими, що запобігає появі тріщини;
підвищення напруг стискання в карбідах ускладнює подальше формування
тріщин та їх розповсюдження через карбіди. При цьому режими обробки
визначаються глибиною зміцнених шарів і поширенням залишкових напруг.
Перспективним методом, що призводить до значного зміцнення
поверхні є абразивна обробка твердих сплавів алмазним інструментом. При
абразивній обробці вплив на стан поверхневих шарів, за винятком
17
механічного зусилля, чинить локальний нагрів [25,26]. При механічному
впливові на поверхню, утворюються незворотні пластичні деформації, фазові
перетворення і структурні зміни, що супроводжуються зміною обсягу, а це в
свою чергу призводить до виникнення залишкових стискаючих напруг,
збільшенню міцності і твердості та ін., Тобто відбувається процес зміцнення.
Алмази мають високу твердість, найменший коефіцієнт тертя, велику
протяжність ріжучих частин та їх загостреність, тому шліфування алмазним
кругом значно відрізняється від звичайного абразивного шліфування
низькими температурами і меншими зусиллями в зоні різання. Після обробки
алмазом в поверхневому шарі твердосплавних виробів W-Со, як правило,
утворюються залишкові стискаючі напруги, містяться в площині шліфування
[27,28].
Вплив на величину залишкових напруг та глибину їх поширення
визначають спосіб і режими обробки, тип і характеристики алмазного
інструменту [29]. Величина залишкових стискаючих напруг поверхневого
шару на глибині близько 10 мкм в WС і Со знижується до нуля і переходить в
розтягуючу, поступово наближаючись до вихідних показників.
Величина шару напруг з глибиною до 80 мкм перевищує в кілька разів
значення глибини зношеної частини різального інструменту, тому величина
зносу і характер зношування різця мають взаємозв'язок із зоною напруги
після шліфування.
У процесі виготовлення ріжучого інструменту методами алмазної і
абразивної обробки, вид та умови заточки також впливають на характер
зносу ріжучої частини. В результаті алмазної обробки інструменту в його
поверхневому шарі утворюються залишкові напруги стискання, наслідком
яких буде утворення гостро ріжучої кромки без сколів і викришування,
навіть при значній величині зносу. Таким чином, після алмазної обробки
вихідна гострота різального краю викликає зниження зусиль різання і
тепловиділення, що приводить до меншого механічного та термічного впливу
на інтенсивність і величину зносу на початковій та пізній стадіях
18
використання інструменту. Вміст кобальту і рівень дисперсності кобальтових
прошарків також сприяє впливу режимів шліфування на оброблюваний виріб
твердого сплаву. При збільшенні пластичної сполучної фази, в твердому
сплаві, змінюється взаємодія шліфувального кругу з оброблюваним виробом,
і призводить до зростання температури на робочій поверхні контакту. Крім
того, зниження пластичного зв'язку (тобто середньої кількості міжкарбідних
контактів), карбідного каркасу, призводить до зменшення теплопровідності
твердосплавного виробу. Тому вплив різних режимів шліфування на твердий
сплав з високим або низьким вмістом кобальту буде неоднаковим. Це
підтверджується даними експериментів, отриманих за визначенням значення
залишкових напруг та їх розподілу в твердосплавних виробах різних марок
[28].
На відміну від вібраційної обробки алмазне шліфування значно
сильніше впливає на дроблення блоків мозаїки, а його ефект на
мікровикривлення решітки не значний.
При алмазному шліфуванні визначальними параметрами є значення і
характер розподілу залишкових стискаючих напруг, зміна яких
супроводжується зміною зміцнюючих властивостей. Так, виникнення
стискаючих напруг в поверхневому шарі твердого сплаву може сприяти
переміщенню осередку зносу від менш навантажених шарів у більш глибокі
шари, при цьому відбувається збільшення міцності і довговічності. При
плоскому алмазному шліфуванні твердих сплавів, можна значно підвищити
зазначені властивості інструменту: ударна в'язкість і межа міцності при
вигині збільшуються на 20-50%, а довговічність при гармонійному
навантаженні - більш ніж на порядок.
При алмазному шліфуванні, підвищення властивостей міцності також
залежить і від силового фактора. Неоднорідна термопластична деформація
поверхневого шару при алмазному шліфуванні призводить до появи
негативного впливу теплового фактора. Таким чином після алмазної обробки
19
підвищення зносостійкості різального інструменту з твердого сплаву складає
в середньому 1,3 рази [30].
1.5 Фізико-хімічне зміцнення за допомогою обробки КПЕ
Високоенергетичні методи впливу, при яких за кілька мікросекунд
реалізуються щільності енергії близько декількох джоулів на 1 см2, широко
використовуються для модифікації структури приповерхневих шарів
інструментальних матеріалів, з метою підвищення їх експлуатаційних
характеристик. В даний час зростає інтерес до застосування таких методів
обробки для формування нових структур металів і сплавів [45].
На сьогодні існують різноманітні способи впливу для модифікування
поверхневих шарів матеріалів, наприклад, такі як лазерні, іонні і електронні
пучки з енергією, їх досить для розігріву і оплавлення великих ділянок
поверхні за вельми короткий час впливу імпульсним електромагнітним
полем, іонною імплантацією, електроіскровим легуванням. При розробці цих
методів необхідно було зрозуміти з фундаментальної точки зору механізми
процесів, за допомогою яких випромінення лазера, електрони і іони
втрачають і передають свою енергію, яким чином ця енергія перетворюється
в теплоту і поширюється в підкладці [46].
Електронні, лазерні та іонні пучки використовуються для імпульсного
нагрівання металів. Для електронних та іонних пучків профілі введеної
енергії якісно збігаються, при цьому зазвичай глибина прогріву поверхневого
шару становить кілька мікрометрів. Рухомі електрони і іони втрачають
енергію на збудженні, як електронів, так і атомів кристалічної решітки,
причому в разі іонів велика частина енергії витрачатися на збудження
решітки. При лазерному опроміненні енергія пучка втрачається в основному
на збудженні електронної системи, причому цей ефект найбільш помітний на
поверхні і експоненціально зменшується з глибиною. Характеристична
глибина поглинання, на якій відбувається виділення енергії, зазвичай
≤ 0,1 мкм. Для кожного джерела енергія електронів швидко перетворюється в
теплову енергію.
20
Опромінення лазерними пучками
Обробка лазерними пучками поверхонь сплавів і металів входить в ряд
локального методу термічної обробки, тому що лазерне випромінювання
фокусується на певній ділянці оброблюваного виробу. За допомогою
спеціального напівпрозорого дзеркала, встановленого на шляху пучка, його
частина може фігурувати на вимірювальному спорядженні для контролю
параметрів опромінення під час обробки. Система дзеркал фокусує лазерне
випромінювання в пляму малих розмірів: від одиниці мікрометрів до
декількох міліметрів. Значна потужність випромінювання і невеликий розмір
плями забезпечують отримання досить високої щільності потоку
випромінювання. Вона може досягати 1016Вт / см2 і вище. Відмінні
особливості лазерного променя від інших висококонцентрованих джерел,
таких як електронний промінь або плазмовий струмінь - це можливість його
транспортування на значні відстані і підведення до важкодоступних місць, а
також відсутність динамічного впливу на оброблювану поверхню, що
дозволяє значно розширити коло технологічних операцій з обробки різних
деталей машин.
Взаємодія фотонів лазерного опромінення з речовиною обумовлене
головним чином електронними хвилюваннями. В області енергії фотонів від
інфрачервоних до ультрафіолетових довжин хвиль в процесі збуджень
присутні тільки електрони провідності і валентні електрони. Теплота, що
виникла в результаті дії лазера виділяється за рахунок утворення нових
фотонів при зіткненнях електронів з фотонами. Процес передачі електронами
енергії решітці матеріалу можна охарактеризувати часом релаксації енергії.
Тепловий вплив при лазерній термообробці реалізується в широких
діапазонах шляхом зміни режимів обробки і параметрів лазерного
опромінення. Це дозволяє регулювати швидкість нагріву і охолодження
металу, час знаходження металу у межах високих температур, що забезпечує
отримання необхідної структури поверхневої ділянки та відповідних
властивостей.
21
Таким чином, основний процес лазерного опромінення і відпалу являє
собою процес виділення теплоти в результаті поглинання енергії й
охолодження при її відводі в підкладку. Поглинута енергія негайно
перетворюється в теплоту і розсіюється у відповідності з теорією
теплопровідності. Стадії нагрівання та охолодження можуть бути визначені
чисельним рішенням рівняння теплопровідності, де враховуються
поглинання енергії на певній глибині, зміна оптичних і теплових параметрів з
температурою, структура опромінення шару, і прихована теплота, що
виділяється під час фазових перетворень. При досягненні високих
температур при лазерному опроміненні з поверхні мішені емітуються
заряджені частки- електрони і позитивні іони, число яких залежить від
температури зразка.
Експерименти по лазерному випромінюванню в деяких випадках
проводяться на структурах, створених з двох або більше поверхневих шарів
різного складу, з метою отримання сплавів і хімічних сполук. Швидкі
процеси розплавлення і затвердіння, що випливають при лазерному
випромінюванні з модульованою добротністю, дають можливість утворити
незвичайні сплави, дозволяють формувати поверхневий шар з поліпшеними
властивостями, такими як твердість, зносостійкість, корозійна стійкість і т.д.
В шаруватій структурі матеріалу відбивною здатністю поверхні визначається
значення поглиненої енергії, а коефіцієнт термопровідності обох шарів
контролює глибину проникнення тепла і проплавлення. Вивільнення
прихованого тепла визначає затвердіння і швидкість переміщення кордону
твердого тіла в розплавлене. Контроль розплавлення і затвердіння може бути
досягнутий вибором матеріалів, у яких не висока відмінність температури
плавлення. Застосування лазерів з тривалістю імпульсу 10 .... 100нс
призводить до зміни структури в глибині, яка не перевищує 1 мкм, а для
підвищення глибини необхідно більше часу впливу випромінювання.
У випроменених металах великі температурні градієнти призводять до
виникнення суттєвих деформацій у поверхневій зоні при параметрах
22
випромінювання, що стоять нижче порога плавлення, і якщо з'являються
напруги більші межі пружності матеріалу, то може відбуватися пластична
деформація. У напрямку нормалі до поверхні напруги можуть з’явитися
хибкі місця через невеликі зсувів, а зміщення у паралельному напрямку
поверхні сповільнюється оточуючим матеріалом. При нагріванні в цих
напрямках утворюються великі стискаючі напруги, і якщо їх значення
перевищують межу пружності матеріалу, відбувається безперервна
пластична деформація. Аналіз наукової літератури показує, що змінюючи
параметри обробки поверхні імпульсним або безперервним
випромінюванням лазера, можна управляти характеристиками легованих зон:
розмірами, концентрацією насиченістю елементів, структурою та
мікротвердістю [52].
Опромінення металів іонним пучком
Імпульсний моноенергетичний пучок частинок іонів також можна
використовувати для введення енергії в приповерхневий шар мішені за
короткий час, і при відповідних умовах можна розплавити поверхневий шар.
Іони втрачають енергію так як електрони на шляху до підкладки. При цьому
енергія, що виділяється залежить від швидкості іонів, атомного номера
речовини мішені й маси наносної частки. При тривалому впливі температура,
що перевищує температуру плавлення, з'являється в малих областях на
глибині, відповідній максимуму проникнення іонів в матеріал мішені.
Швидкість руху межі затвердіння близька до 2 м / с. Оскільки температурний
профіль у зразка є плоским, ця швидкість визначається тепловим потоком в
об'єм тіла. Основний ефект іонно-променевої обробки основи (підкладки)
пов'язаний з її зміцненням, поліпшенням адгезійних властивостей поверхні і
створенням на ній дифузійного бар'єру. При цьому глибина проникнення
іонів, як правило, мала, а можливості структурних змін в сформованому шарі
покриття обмежене. Іонна імплантація - процес проникнення
високоенергетичних іонів в кристалічну решітку на значну глибину, що
модифікує таким чином поверхневий шар опромінюваної поверхні.
23
Механічні властивості модифікованих подібним чином поверхневих шарів
підвищуються в результаті спотворення кристалічної решітки, що виникає
при впровадженні в неї іонів імплантованого елемента.
Можна виділити три основні механізми підвищення зносостійкості в
результаті іонної імплантації: створення сприятливої схеми залишкових
внутрішніх напруг, зміцнення поверхневих шарів, зміна хімічних і адгезійних
властивостей поверхні. Як правило, товщина модифікованого іонною
імплантацією шару не перевищує 0.05 мкм. Проте іонна імплантація дозволяє
збільшувати стійкість різних типів ріжучого інструменту до 4 разів без зміни
розмірів інструменту і радіуса заокруглення різальних країв [53].
Електронно-променева обробка
При використанні імпульсних електронних пучків енергія вводиться в
приповерхневу частину матеріалу. У порівнянні з лазерною обробкою число
робіт, присвячених електронному опроміненню, набагато менше, що
пов'язано з труднощами в отриманні відповідних електронних пучків. Під час
процесу електрони пучка взаємодіють з ядрами і електронами мішені.
Зіткнення електронів з ядрами через велику різницю в масах мають головним
чином пружний характер, і їх напрямок руху істотно змінюється. При цьому
енергія передається, як і у випадку лазерного опромінення в результаті
зіткнень з електронами матеріалу мішені в зразок у вигляді тепла. За
короткий час опромінення відбувається нагрів квазіадіабатічно, так що вплив
теплопровідності дуже незначний, і профіль температури повторює профіль
втрат енергії електронів у зразку. Розсіювання енергії в глибині матеріалу
визначає зміну температури на стадії нагріву [55].
При електронному опроміненні максимум розподілу поглиненої енергії
розташовується на глибині, зростаючій з ростом енергії електронів, зростає
також і ширина розподілу. У разі лазерного опромінення максимум профілю
поглиненої енергії знаходиться на поверхні гомогенного середовища,
поглинання та відбиття може бути вельми чутливим до структури
поверхневого шару. І в даному випадку електронного опромінення
24
поглинання енергії залежить тільки від енергії налітаючих електронів і
атомного номера матеріалу мішені. Наприклад, положення піка, відповідного
максимуму поглиненої енергії для пучка електронів з енергією 20 кВ в
мішені, досягає глибини 1 мкм.
Основні відмінності з лазерним опромінюванням полягають в глибині,
на яку досягається максимальна температура, і в товщині розплавленого
шару. При електронному впливові товщина розплавленого шару складає, як
мінімум, кілька мікрометрів. З цього факту випливають деякі висновки для
швидкості руху границі тверді, фаза-розплав на стадії охолодження.
Стадії охолодження при електронному опроміненні дуже схожі на
стадію охолодження при лазерному опроміненні, в той час як стадії нагріву
зовсім відмінні. Енергія вводиться на глибину, більшу, ніж для лазерного
пучка, і шар з товщиною рівною приблизно половині довжини пробігу
електронів розплавляється повільно. Температура розплаву буде нижчою,
ніж досягається при лазерному опроміненні, тому температурні градієнти
будуть меншими. Особливості електронно-променевої обробки, пов'язані з
високими швидкостями нагрівання та охолодження, недосяжними при інших
способах обробки матеріалів (за винятком лазерної обробки), призводять до
суттєвих змін їх властивостей у зоні термічного впливу, товщина якого
залежить від режимів обробки і може досягати 1 мм. Численні дослідження
підтверджують загальну картину - наявність в зоні термічного впливу двох
шарів, між якими спостерігається чітка межа розподілу в рідкому стані.
Електроіскрове легування
Електроіскрове легування металів засноване на явищі електроерозії
матеріалів при іскровому розряді в газовому середовищі, полярної міграції
чинників ерозії на катод (деталь), формуючих шар зміненої структури і
складу на його поверхні. Після електричного розпаду міжелектродного
інтервалу утворюється іскровий розряд, в якому відбувається локальний
розігрів електрода (анода) під дією потоку електронів. На поверхні катода за
рахунок істотних теплових навантажень виникають мікрометалургійні і
25
супутні їм процеси (дифузійні, термомеханічні, гідродинамічні), що
призводять при взаємодії з компонентами газового середовища до
перемішування матеріалів катода і анода, що здійснюється за рахунок
створення високого адгезійного зв'язку основного і формованого шарів.
Таким чином електроіскрова обробка відбувається методом формування
нових композиційних матеріалів, до складу яких в основному входять
найбільш значні і принципово тугоплавкі покриття, що змінюють якість
верхнього шару матеріалу. Значення цих змінених характеристик
визначається технологічними параметрами процесу електроіскрового
легування і структурою, складом і властивостями матеріалів електродів [56].
Електропідривне легування
Суть методу електропідривного легування поверхні інструментів з
карбідовольфрамових твердих сплавів, що представляє собою імпульсне
опромінення поверхні оброблюваної деталі іонними компонентами
плазмового жиклера, полягає в тому, що продукцію електричного вибуху
провідника застосовують в якості джерела іонних компонентів і у вигляді
тонкої плівки сплаву (титанова або алюмінієва плівка) або металу,
вуглеграфітового волокна. Опромінення іонним компонентом проводили в
режимі імпульсного характеру, що дозволяє здійснювати інтенсивний вплив
на поверхню, в порядку 5,0 ÷ 7,6 ГВт / м2. При цьому поверхневе легування
твердосплавного інструменту одночасно утворюються за допомогою
порошків хімічних сполук і речовин, таких як, алмазний порох, бор, карбід
кремнію, які при створенні струмка захоплюються нею, частково
переносяться на облучаєму поверхню в конденсованому стані, а частково
перетворюються в полум'яний стан. Такий спосіб обробки раніше не
використовувався для поверхневого зміцнення твердосплавних матеріалів
[57].
Спосіб електропідривного легування поверхні вольфрамокобальтових
твердосплавних інструментів являє собою поверхневий нагрів і насичення її
продукціями електричного вибуху з подальшим самозагартуванням за
26
рахунок теплового відведення в глибину оброблюваного матеріалу і
навколишнє середовище. При ЕВЛ робота плазмового прискорювача
обґрунтовується на скупченні енергії батареєю імпульсного конденсатора до
значень порядку 1 ÷ 10 кДж і протягом 100 мкс її подальшому розряді через
провідник, який переносить вибухове руйнування.
Застосування даного способу обробки поверхні інструментів з твердих
сплавів ВК10КС і ВК15КС ЕВЛ в порівнянні з наявними способами,
дозволяє отримати наступні переваги: імпульсний плазмовий жиклер як і
інструмент впливає на поверхню деталі, при цьому одночасно служить
джерелом тепла і джерелом легуючих елементів; оскільки електропровідний
матеріал може використовуватися в якості матеріалу підриваючого
провідник; в зоні електричного вибуху можуть бути розміщені порошки
хімічних сполук (наприклад, бор, карбід кремнію, алмазна пудра) і речовин,
що переносяться на поверхню опромінюваної деталі; обробка триватиме в
режимі імпульсного характеру протягом 100 мкс, при цьому площа
опромінюваної поверхні складає 10 ÷ 15 см2.
При обробці, пластин з твердих сплавів пропонованим способом, не
спостерігається різкий кордон між контактними зв'язками легованого
поверхневого шару і матеріалу основи. Дані випробувань зміцненої поверхні
показали, що її твердість підвищується в 1,5 ÷ 2 рази в порівнянні з
необробленими зразками при збереженні вихідної шорсткості поверхні
Ra = 2,45мкм, глибина опромінених поверхневих слоїв становить
20 ÷ 25 мкм.
Збільшення оперативної стійкості гірничо-ріжучих інструментів при
реалізації пропонованого способу зміцнення утворюється за рахунок
легування поверхневого шару, зміни структури в твердому сплаві
монокарбіду вольфраму WC на іншу W2C, що володіє більшою твердістю і
сприяє підвищенню експлуатаційної стійкості твердого сплаву.
Термогідрохімічна поверхнева обробка
27
В області зношування і тертя інструментальні матеріали зі
зносостійкими покриттями на основі сульфідів і оксидів володіють кращими
антифрикційними характеристиками в атмосферних умовах [58].
При створенні оксидної фольги, певної структури і складу, можна
отримати зміцнення поверхневого шару (ефект Роско) і при терті зменшити
опір зсуву. Покриття, сформовані методом термогідрохімічної обробки
(ТГХО) володіють хорошими твердозмазуючими властивостями.
При інтенсивній експлуатації інструменту, коли різання здійснюється
без наявності мастила або її подача лімітована, кращим методом зменшення
коефіцієнта тертя є формування на ріжучому краї інструменту
твердозмазуючих покриттів. ТГХО є одним з найпростіших і універсальних
методів і забезпечує нанесення наноструктурованих покриттів на основі
карбідів, сульфідів, оксидів, та інших антифрикційних матеріалів та їх
композиційних складів.
Сутність процесу гідрохімічної обробки поверхні полягає в
вододисперсному середовищі при температурі 95 - 100оС, витримку протягом
40 – 120 хвилин на базі порошків оксидів нанорозміру і подальшого
термічного впливу, що включає нагрів до температури порядку 130 - 1050ОС
протягом 30 - 60 хвилин і охолодження. Попередньо готують вододисперсне
середовище по спеціальним методом дисперсії часток оксидів (їх розмір не
повинен перевищувати 5 мкм) до нанорівня при добавці 5% водорозчинного
сурфактанту (ПАР-поверхнево-активна речовина).
Термогідрохімічна поверхнева обробка включає подвійний характер
зміцнення: формується твердозмазочне покриття на поверхні
твердосплавного інструменту, а осідає у підслої, зміцнена зона з високими
стискаючими напруженнями. Оптимально формовані покриття на поверхні
твердих сплавів мають досить малу товщину. Так, товщина
твердозмазуючого покриття на сплаві ВК6 досягала 5 - 7мкм, при цьому в
ріжучу пластину твердого сплаву на всю поверхню 5 мм товщину
проникають кластерні органічні сполуки.
28
Результати рентгеноструктурних досліджень показали, що після
термогідрохімічної поверхневої обробки твердих сплавів Т15К6 і ВК6
виникають стискаючі напруги стиснення 1-го роду. При цьому значення
стискаючих макронапруг збільшується в 2 - 3 рази порівняно з
необробленими твердими сплавами і порівняно зі ступенем напруг, що
формуються методами пластичної деформації.
Підвищення зносостійкості твердосплавного інструменту при
гідрохімічній поверхневій обробці, можна визначити реалізацією впливу
Ребіндера, що носить адгезійний характер взаємозв'язку поверхні будь-якого
твердого тіла з поверхнево-активною речовиною. У даному випадку
наявність поверхнево-активної речовини в насиченому середовищі
забезпечує інтенсифікаційні процеси поверхневої дисперції оксидів і
твердого сплаву, утворюючи стабільну дисперсну систему на основі міцел,
які здатні направлено рухатися в зону контакту на початковому етапі зносу і
зменшити сили адгезійного зв'язку. В результаті утворюється сповзання
всередині покриття з малими витратами енергії за принципом дифузійно-
вакансійного механізму. Такий безперешкодний зсув поверхневих шарів
покриття дозволяє отримати самозмащувальний вплив у процесі його
зношування [59].
Після оптимізації процесу термогідрохімічної поверхневої обробки
коефіцієнт тертя поверхні твердого сплаву знижується до 4 разів порівняно з
необробленим сплавом. Було відзначено, що нанокомпозитні структури
отриманих покриттів мають високу термічну стійкість, які після обробки при
високій температурі 1035oС навіть зберігають дуже низький коефіцієнт тертя
(f = 0,106) у разі без мастила.
Термогідрохімічна обробка забезпечує підвищення стійкості різних
видів інструментів з твердих сплавів в 1.3 - 4.0 рази.
Комплексна обробка поверхонь твердих сплавів
Таким чином вибір методу зміцнюючої обробки поверхні різних видів
інструментів, умов і режимів реалізації цього методу з метою поліпшення
29
експлуатаційних властивостей представляється багатофакторним завданням.
При цьому найбільш значним є питання раціональної комбінації режимів
роботи інструменту з режимами зміцнюючої обробки, що забезпечує
оптимальне поєднання поверхневих властивостей, необхідних при різанні.
Встановлено [60], що в багатьох випадках руйнування прикордонної
системи покриття-підкладка пов'язане з пластичною деформацією підкладки,
коли ця система піддається порівняно високій напрузі. Після нанесення
покриття при всіх його перевагах біля кордону розділу в підкладці
виникають розтягуючі напруги, що можуть зменшити здатність
навантаження і втомну міцність інструменту [61]. Знизити внутрішні напруги
в покритті можливо при використанні комплексної обробки поверхні. Ця
обробка являє собою порядкове використання двох (або більше) поверхневих
зміцнюючих методів для створення композитного шару з поєднанням
властивостей, отримання яких неможливо при окремому застосуванні будь-
якого з цих методів.
Вибір фазових компонентів і варіювання структурними впливами
забезпечують конструювання системи матеріал-покриття так, щоб
поєднувати необхідні властивості для конкретних експлуатаційних умов
інструментів, створювати на робочих поверхнях інструменту матеріалу
шаруваті структури з градієнтним розподілом властивостей по глибині
інструменту. Провідні виробники, які випускають ріжучий інструмент такі як
Kennametal (США), Krupp Widia GmbH (Німеччина), Sandvik Coromant
(Швеція), Metalwork Plansee AG (Австрія) розроблять їх, керуючись
власними дослідженнями і традиціями [62].
Одним з ефективних напрямків збільшення експлуатаційних
властивостей інструментальних матеріалів є модифікація їх робочих
поверхонь за рахунок термозміцнення і дифузійного насичення легуючими
елементами. При цьому істотно скорочується витрата дефіцитних, дорогих
матеріалів і значно підвищується працездатність деталей [63]. Подібна
обробка була реалізована спочатку із застосуванням лазерного пучка [64].
30
Однак, цей метод не широко використовується у виробничій промисловості
через відносно невелику ефективність дії світлового опромінення на мішень і
досить істотній залежності результату ефекту від властивостей самої мішені.
Недоліки застосування лазерного променя усуваються із застосуванням
низькоенергетичного потужнострумового електронного пучка з
мікросекундною тривалістю [65]. Створення в поверхневому шарі
металокерамічних сплавів структурно-нерівноважних станів у процесі їх
імпульсного електронно-пучкового легування представляється
перспективною обробкою твердого сплаву у складі зносостійкого комплексу
перед нанесенням зносостійкого покриття.
Обробка поверхні твердих сплавів концентрованими потоками енергії, у
тому числі і електронним променем, призводить до зниження показників
мікротвердості через накопичення вільного вуглецю уздовж дислокацій і меж
зерен карбідів. Легування поверхні перед обробкою електронним променем
дозволяє поліпшити експлуатаційні властивості металів і сплавів, у тому
числі зносостійкість, тим самим уникнути появи тріщин.
Висновки
1. Збільшення твердості інструменту і зниження коефіцієнта тертя,
одержаних за рахунок різних впливів на поверхню твердого сплаву,
призводять до збільшення зносостійкості твердосплавного інструменту при
різанні до 5 разів.
2. Нанесення зносостійкого покриття шляхом комплексної обробки є
одним з найбільш перспективних методів зміцнення поверхні твердих
сплавів, завдяки створенню шаруватої структури з градієнтним розподілом
властивостей по глибині інструменту, яка забезпечує зміну фізико-хімічних
властивостей поверхневого шару і властивостей матеріалу основи.

31
Розділ 2. Методика досліджень
2.1 Твердосплавні пластини зі сплаву ВК8 і Н13A (аналог ВК6ОМ) і
твердосплавні свердла ВК8
Для проведення експериментів були використані твердосплавні
пластини зі сплаву ВК8, змінні багатогранні пластини H13A (Аналог
ВК6ОМ, Sandvik koromant) і спіральні твердосплавні свердла з ВК8.
ВК8 - однокарбідний твердий сплав вольфрамової групи. Застосовується
для обробки металів різанням, зокрема, для чорнового точіння при
нерівномірному перетині зрізу. Використовується для обробки сірого чавуну,
нержамістких високоміцних і жароміцних важкооброблюваних сталей і
сплавів, у тому числі сплавів титану, кольорових металів. Використовувалися
пластини квадратної форми (Рис. 2.1) і шліфовані пластини для проведення
досліджень структури.
При обробці сталей інструментом, оснащеним сплавом ВК8, особливо
при роботі на високих швидкостях різання, відбувається швидке лунко-
виникнення на передній поверхні, що призводить до руйнування різального
краю і досить швидкого зносу. Завдяки цій особливості, сплав зручний для
вивчення процесів зміцнення твердосплавного інструменту, в тому числі
поверхневого мікролегування. Крім того він є одним з найбільш простих за
хімічним складом, що полегшує вивчення структурних особливостей
модифікованого матеріалу.

а) б)
Рис. 2.1 а) Пластина зі сплаву ВК8. б) Геометричні параметри пластини ВК8:
L = 12/6 мм, r = 1.5 мм, s = 4.8 мм, d1 = 5 мм.
32

а) б)
Рис. 2.2 а) Пластина Н13А; б) Геометричні параметри пластини Н13A:
d =12,6мм; l = 12мм; r = 0,8 мм; s = 4,8 мм; d1 = 5 мм.
Н13А- універсальна змінна багатогранна пластина без покриття з
дрібнозернистою основою для напівчистової і чорнової обробки жароміцних
і титанових сплавів на низьких і середніх швидкостях різання, що поєднує в
собі відмінну стійкість до абразивного зносу і міцність (Рис. 2.2). Пластини
Н13А форми CNMG 120404-SM (позначення по коду ISO) виробництва
фірми Sandvik koromant застосовуються для ріжучих інструментів, що
працюють в агресивних хімічних середовищах, містить не більше 8% Co.
Твердий сплав, з якого зроблена пластина, за своїми корозійних
властивостями досить близький до високолегованих нікелевих сталей і
ніхромів, але значно перевершує їх по міцності і підвищеній стійкості до
ерозії [66].
Для дослідження процесу свердління використовували спіральні
твердосплавні свердла з ВК8 діаметром 10 мм (кут при вершині φ = 125o,
задній кут α = 10o, передній кут γ = 55o, кут нахилу гвинтової канавки
ω = 28o).
У ряді робіт, присвячених електронно-променевій обробці твердих
сплавів, зазначалося, що така обробка призводить до зниження показань
мікротвердості через накопичення вільного вуглецю у вигляді графіту
уздовж дислокацій і меж зерен карбідів W [67]. Щоб зв'язати утворившийся
при опроміненні низькоенергетичним потужнострумовим електронним
пучком карбідом вольфраму вільний вуглець, було прийнято рішення
використовувати карбідоутворюючі елементи Nb і Hf, які мають високу
33
спорідненість з вуглецем (значно більший, ніж у W) і утворюють стійкі
карбідні фази. Вони формують карбіди типу МС, які можуть бути
евтектичними або первинними. Такі карбіди мають високу твердість,
складову приблизно 2400 HV, що перевершує твердість WC, що складає
приблизно 1500 HV (проте, гаряча твердість у карбіду вольфраму все ж
вища). Карбіди ніобію і гафнію формуються при високій температурі
безпосередньо в розплаві першими. Але, завдяки високій швидкості
охолодження розплаву, в кінцевому продукті вони вирости не встигають, і
залишаються дрібними і гомогенно розподіленими. Це повинно сприятливо
позначитися на зносостійкості і опорі розриву. Вибір лігатури також
обгрунтований даними, що сплави W-Hf-C також володіють найбільш
високою межею міцності на розрив [34]. Крім того, в літературі зазначається
можливість дисперсійного зміцнення в сплавах системи W-Hf-C, де
зміцнюючою фазою є карбід гафнію [35] чи складний карбід (NbHfMo) CX
[36].
Сплав ВК8 опромінювався в початковому стані і після нанесення за
допомогою магнетрона на поверхню 0.2-0.3 мкм шару сплаву Nb70Hf22Ti8 для
легування поверхні. Пластини Н13А, схожі за хімічним складом, але з
дрібнозернисті за структурою, оброблялися за режимами, визначеними в ході
оптимізації за результатами стійкістних випробувань ріжучих пластин з ВК8.
Сплави NbHfTi є жароміцним матеріалом, що поєднують в собі
здатність протистояти значним навантаженням при підвищених
температурах з чудовою стійкістю до окислення. Мішені виготовлялися зі
злитку, який піддавався електронно-променевого переплаву.
2.2 Методика комплексної обробки твердосплавних пластин зі
сплаву ВК8 і пластин Н13A (аналог ВК6ОМ)
Попередньо, перед обробкою інструменту, проводився контроль та
вимірювання геометричних параметрів різцевої пластини, включаючи
основні кути і радіус закруглення ріжучої кромки на приладі MicroCADlite
34
(GFM, Німеччина) (Рис. 2.3). Надалі прилад використовувався для оцінки
характеру зносу поверхонь інструменту.
Проміжною операцією був процес очищення пластини: миття в
ультразвуковій ванні в лужному розчині, промивка в дистильованій воді і
зневоднення в ацетоні.
Зразки змінних багатогранних пластин з твердого сплаву ВК8 і H13А
покривалися за допомогою магнетрона сплавом Nb70Hf22Ti8 товщиною
0.2 - 0.3 мкм (Рис. 2.4) (характеристики магнетронного розпилювача наведені
в Таблиці 2.1), а потім були оброблені 1 - 10 імпульсами тривалістю близько
5 мкс низько-енергетичного потужнострумового електронного пучка (НСЕП)
безпосередньо на установці «РИТМ-СП» (Рис. 2.5). Очищена різцева
пластина закріплювалася на столику установки таким чином, щоб одночасно
оброблялися як передня, так і головна та допоміжна задні поверхні.

Рис. 2.3 Прилад MicroCADlite
35

Рис. 2.4 Магнетронний розпилювач. Мішень зі спаву NbHfTi
Таблиця 2.1
Характеристики магнетронного розпилювача
Потужність розряду 400Вт
Робочий тиск 3х10-1 Па
Діаметр катода 75 мм
Товщина катода 6 мм
Індукція магнітного поля на поверхню катода 500 Гс
Охолодження катода Вода, 2л / хв
Швидкість осадження покриття 1 - 10 мкм / год
Однорідність покриття 10%
Робочий газ Ar
Режим роботи стабілізація напруги
Установка «РИТМ-СП», являє собою джерело низькоенергетичних
надточних електронних пучків «РИТМ», скомбінований з двома
магнетронно-напилювальними системами у єдиній вакуумній камері.
Установка дозволяє здійснювати напилення плівок різних матеріалів на
поверхню потрібного виробу і подальше рідинно-фазове перемішування
матеріалів плівки і підкладки інтенсивним імпульсним електронним пучком.
При цьому товщини формованих поверхневих сплавів можуть становити від
36
часток до десятків мікрометрів [56]. Поєднання в одному робочому циклі
електронно-пучкової поверхневої обробки, нанесення покриттів і
подальшого їх переплавлення з основою електронним променем дозволяє
отримувати сплави контрольованого складу і структури на поверхні виробів
різної форми [57].

Рис. 2.5 Установка «РИТМ-СП»
Генерація НСЕП включає в себе емісію електронів, виникнення пучка в
плазмо-наповненому діоді і його транспортування в плазмовому каналі.
Використання такої схеми генерації дозволяє отримати широкоапертурний
пучок мікросекундної тривалості з густиною струму до 1000 А / см2 при
напрузі з прискоренням 15 - 30 кВ, що є відносно невеликою величиною.
Площа одноразової обробки складає близько 50 см2 (Рис. 2.6).
37

Рис. 2.6 Пристрій установки «РИТМ-СП»
1 - вибухо-емісійний катод; 2 – анод; 3 - корпус електронної гармати;
4 - робоча камера; 5 мідна втулка; 6 – каретка; 7 – ланцюг; 8 – магнетрон;
9 - об'єкт що обробляється.
У результаті впливу на спечений твердий сплав пучками заряджених
частинок потоками плазми, отримуємо нагрів поверхневого шару сплаву з
високою швидкістю (до 106град / с) до температури, що перевищує
температуру плавлення, залишають з подальшим охолодженням на високій
швидкістю (104 ... 109 град / с) [54]. Температура в приповерхневому шарі
досягає позначень, що перевищують температуру плавлення компонентів
системи. Через високий перепад температур і складний напружений стан
матеріалу відбувається зміщення каскадів атомів і виникає велика
концентрація структурних дефектів, що є причиною інтенсивних дифузійних
потоків атомів [55]. Високошвидкісне термоциклювання супроводжується
міжфазною взаємодією компонентів твердого сплаву по нерівновагим
діаграмам стану, що призводить до формування нерівномірної структури
[56].
Суть методу полягає в розплавленні поверхні інструментального
матеріалу разом з легуючими компонентами, попередньо нанесеними на
оброблювану ділянку. Покриття із заданим хімічним складом, нанесене на
38
поверхню, зразок виявляється вплавленим в неї і становить єдине ціле
(Рис. 2.7). Обробка проводилася кілька разів (повторення операцій нанесення
- опромінення), що дозволило створити модифікований шар глибиною
до 4 - 6 мкм.
мішень плівка
нанесення
плівки
ел. пучок
поверхневий сплав
Рис. 2.7 Схема циклу формування поверхневого сплаву
Основними факторами обробки матеріалів електронним пучком, які
визначають характер прогріву поверхневого шару, і, отже, кінетику
перетворень структури, є щільність енергії в електронному пучку, тривалість,
кількість і частота імпульсів опромінення. При збільшенні тривалості
імпульсу електронного опромінення знижується температура розігріву
опромінюваної поверхні, але помітно збільшується глибина прогріву
металокераміки, що знижує інтенсивність переплавки композиційної
структури. Підвищення щільності енергії в електронному пучку, призводить
до підвищення температури нагріву опромінюваної поверхні і до істотного
збільшення глибини прогріву. Збільшення числа імпульсів опромінення
також сприяє збільшенню глибини прогріву, але існує гранична величина
зони прогріву з боку опромінюваної поверхні, яка залежить від значення
густини енергії в електронному пучку.
Серед проблем, що виникають при відпрацюванні електронно-пучкової
технології, слід зазначити неоднорідність розподілу енергії по перетину
пучка до 20% і необхідність гарного електричного контакту оброблюваного
39
об'єкта зі столом (колектором). Ці проблеми призводять до досить істотного
розкиду (до 30%) параметрів обробки. Тому основним параметром, за яким
перевірялася якість обробки, була обрана умовна товщина легованого шару
hу (як, якби легуючі елементи не були розподілені в об'ємі приповерхневого
шару твердого сплаву глибиною близько 5 мкм, а представляли собою
покриття на його поверхні). Потрібно враховувати, що на величину hу
впливає не тільки власне зміст лігатури на поверхні твердого сплаву, але і її
розподіл по всьому модифікованому шару.
При використанні імпульсних електронних пучків енергія вводиться в
приповерхневу область матеріалу. Втрати енергії на зворотне розсіювання
залежать від атомного номера мішені, енергії і кута падіння пучка електронів
і становлять від 8 до 50%. При куті падіння пучка близько 30О максимум
температурного розподілу зміщується на поверхню, а при подальшому
зменшенні кута температурний градієнт в поверхневому шарі зростає. Це
означає, що не останню роль буде відігравати шорсткість поверхні об'єкта,
що опромінюється. Шар товщиною, рівній приблизно половині довжини
пробігу електронів, розплавляється майже негайно. Зміна температури при
охолодженні залежить від товщини розплавленого шару і теплофізичних
властивостей зразка.
Розрахунки для сплаву ВК8 показують: Глибина прогріву матеріалу за
імпульс складе:
hпр = (10λτІ / (сγ))0.5 = 0.27 мм,
де λ - коефіцієнт теплопровідності = 40 Вт / мК,
с - теплоємність = 205 Вт с / кг К,
γ - щільність = 15,7 г / см3,
τІ - тривалість імпульсу - 5 мкс.
Оцінка амплітуди імпульсного нагріву поверхні ΔT за методикою [58]
дає величину, що наближається до 4000ОС. Ця величина значно перевищує
температуру плавлення фази карбіду (для WC - 3143ОС). Час існування
розплаву на поверхні близько 100 нс.
40
Товщину прогрітого при обробці шару можна приблизно оцінити, як
суму глибини проникнення частинок в матеріал і глибину поширення тепла
за час, що дорівнює тривалості імпульсу. Глибина проникнення електронів в
пластину з твердого сплаву при енергії електронів 18 кев:
δ = 10-4Т1.5 / γ = 10-4181.5 / (15.7 103) = 4.9 10-7 м,
де Т - енергія електронів кев,
γ - усереднена щільність твердого сплаву (г / см).
Однак сплав є гетерогенним і при досить високому вмісті кобальту і
невеликому розмірі карбідних частинок з щільністю - 8,9 г / см³ глибина
проникнення електронів по сітці з кобальтової зв'язки може досягати і 1 мкм.
Щільність ніобієвого сплаву 8.6 г / см³. При товщині нанесеного на
поверхню шару цього сплаву порядку 0.2 мкм, глибина проникнення
електронів в пластину складе близько 0.6 мкм. При обробці по поверхні
пластини протікає електричний струм силою до 10 кА за час порядку 5 мкс.
Фінішне градієнтне покриття товщиною 6 мкм (TiAl) N було нанесене
установкою Platitπ80. Градієнтна структура такого покриття починається з
нанесення адгезійного шару TiN, що формує основу покриття. Потім
концентрація компонента AlN рівномірно збільшується до поверхні
покриття, збільшуючи при цьому його мікротвердість. Покриття, що
наноситься на цій установці відрізняється високою стабільністю
властивостей.
Оскільки метою цього дослідження було вивчення впливу на
властивості інструменту мікролегованого підслою, інші види покриттів в цій
роботі не досліджувалися.
Під час нанесення покриття перехідний легований шар піддавався
термообробці при 490oС принаймні протягом 3-х годин (нагрівання та
охолодження піччю), що пов'язано з технологією нанесення зносостійкого
покриття. При цьому в проміжному шарі неминуче відбувається зняття
внутрішніх напруг, які виникають при електронно-променевій обробці.
41

Рис. 2.8 Установка «Platitπ80».
Вакуумна електродугова установка Platitπ80 (Швейцарія) з обертовими
катодами, призначена для нанесення покриттів на підкладки з
швидкорізальної сталі, твердих сплавів, металокераміки і пластмас.
Установка оснащена системою двох обертових циліндричних порожнистих
катодів. Система технології LARC (бічні обертові катоди) дозволяє
рівномірно і ефективно використовувати всю робочу поверхню випарників.
Обертові катоди розташовані на дверці вакуумної камери і мають систему
віртуального затвора для очищення поверхні катодів під час, до і після
процесу нанесення покриття (Рис. 2.8). При використанні дугового
випаровування запалюється електрична вакуумна дуга. У момент підпалу
дуги на поверхні мішені виникає місцевий розплав і починається
випаровування металу мішені. Однак при випаровуванні разом з іонами
матеріалу також прискорюються неіонізовані частки металу (краплі), які
також осідають на поверхню інструменту. Наявність цієї крапельної фази є
основним недоліком дугового методу, так як краплі погіршують якість
поверхні інструменту після покриття. Технологія LARC фірми Platit дозволяє
зменшити попадання цієї первинної крапельної фази на матеріал, що
42
покривається. Тверді покриття Platit знижують абразивний, адгезійний і
ямковий знос інструменту, тим самим забезпечуючи гладку поверхню
покриття [57].
2.3 Методика визначення мікроструктури легованого шару
твердосплавних пластин зі сплаву ВК8 і пластин Н13А (аналог
ВК6ОМ)
Фазовий склад і параметри кристалічної решітки модифікованих шарів
матеріалу вивчали на дифрактометрі Дрон-УМ (Рис. 2.9) у фокусуванні по
Брегу-Брентано (інтервал зйомки по 2θ 10.0 - 115.0 градусів, крок 0.1,
експозиція на точку зйомки 40 сек.), Коли глибина проникнення
рентгенівських променів в зразок є функцією кута дифракції (глибина
зростає з ростом кута). Однак такі спектри важко обробляти, через те, що на
великих кутах нанесення внутрішніх шарів зразка виявляється більше, ніж на
малих кутах. Щоб виключити цей ефект при розрахунках, майже для всіх
об'єктів виконувалася ще одна зйомка в асиметричній геометрії, коли кут
падіння рентгенівських променів на зразок постійний (в нашому випадку він
був узятий 10). При цьому кут дифракції змінюється тільки за рахунок
переміщення лічильника. Хоча слід зазначити, що при такій геометрії зйомки
якість дифракційної картини дещо падає, що проявляється у збільшенні
ширини віддзеркалень і зменшенні виміряної інтенсивності. Наведений
розрахунок вівся саме за таким спектром і отриманий внесок підкладки
(об'ємна частка WC), мабуть, побічно говорить ще й про товщину
модифікованого шару (та / або його суцільність). При зйомці спектрів
використовувалася рентгенівська трубка з мідним анодом. При цьому
глибина шару, який бере участь у формуванні дифракційної картини,
становить близько 10 мкм.
43

Рис. 2.9 Дифрактометр рентгенівський Дрон УМ

Рис. 2.10 Рентгенівський спектрометр FisherXULMXYm
Мікроструктура поверхні і вимірювання мікротвердості вивчалися на
приладах CarlZeissAxio, які забезпечують довгофокусними об'єктивами серії
Epiplan-Neofluar і Polyvar-Met при навантаженні 25 м Вимірювання
шорсткості поверхні проводилося за допомогою приладу Hommel-Wave.
Кількість легуючих елементів в приповерхневому шарі твердого сплаву
оцінювалося за умовною товщиною легованого шару (прилад може
працювати в режимі товщинометра, за умовну товщину легованого шару
була прийнята товщина модифікованого шару без урахування перемішування
при впливі електронного променя). Виміри проводилися за допомогою
рентгенівського спектрометра XULMXYm фірми Fisher (Рис. 2.10), який
може працювати в режимі товщинометра. Розподіл легуючих елементів в
44
приповерхневому шарі об'єктів досліджувався на скануючому електронному
мікроскопі, VEGA 3 LMH компанії TESCAN (Чехія).
2.4 Методика визначення ріжучих властивостей твердосплавних
пластин з ВК8, пластин Н13A (аналог ВК6ОМ) і свердел з ВК8
Оптимізація режимів електронно-променевої обробки проводилась на
токарно-гвинторізному верстаті 16К25 при торцевому точінні труби зі
сталі 40Х (заготівля: зовнішній діаметр 192 мм, внутрішній - 50 мм)
(рис. 2.11).
Режим різання підбирався таким чином, щоб досягти катастрофічного
зносу різця за один прохід інструменту. Дана методика дозволяє досить
швидко (тривалість випробування, як правило, не перевищує 1 хвилини)
оцінити роботу поверхневого шару різця, оскільки за короткий час
випробування матеріал основи, не встигає прогрітися до критичної
температури і зруйнуватися. Тим більше, що швидкість різання чинить на
інтенсивність зношування значно більший вплив, ніж подача і глибина
різання. Режими різання: глибина 1мм, подача 0.05 мм, частота обертання
шпинделя 1250 об / хв для пластин з ВК8 і глибина 1,2 мм, подача 0.05 мм,
частота обертання шпинделя 1800 об / хв для пластин Н13А. Точіння
здійснювалось від центру заготовки до краю; при цьому швидкість різання
змінювалася від 200 до 750 м / хв в першому випадку і від 288 до 1084 м / хв
в іншому.

Рис. 2.11 Торцеве точіння сталі 40X
Для контролю процесу торцевого точіння і визначення моменту початку
катастрофічного руйнування пластини на різцетримачі токарного верстата
45
був встановлений акселерометр, контролюючий сигнали віброприскорення.
Причиною цих віброакустичних сигналів є складні процеси в зоні різання
[47], які супроводжуються автоколиваннями різної інтенсивності.
Знос різального інструменту характеризується тим, що збільшуються
сили різання, що призводять до зростання запасів потенційної енергії в
пружній системі верстата. Зростання потенційної енергії небезпечне тим, що
при порушенні рівноваги сил (зсув стружки або які-небудь випадкові
процеси) можуть виникати коливання з великою амплітудою. Тобто
потенційна нестійкість всієї системи зростає. Зливна стружка до певного часу
стримує вихід накопиченої енергії, але при торцевому точінні безперервно
зростає і швидкість різання і, відповідно, температура в зоні контакту. З
ростом температури матеріал заготовки втрачає свої характеристики.
Підвищення температури локалізується в зоні формування стружки і, в
першу чергу, це впливає на її здатність стримувати потенційні сили, що
діють на вершину різця у напрямку нормалі до поверхні. З певного моменту,
що визначається локальною температурою стружки, відбувається відхід
вершини по нормалі до поверхні і вихід потенційної енергії, що проявляється
у вигляді коливань великої інтенсивності. Ці коливання фіксуються
акселерометром, їх амплітуда з початком катастрофічного зносу різця може
збільшуватися в порівнянні з нормальним різанням, в нашому випадку до
двадцяти разів.
Момент виникнення інтенсивних автоколивань залежить не тільки від
температури, але і від динамічних характеристик технологічної системи. У
даному експерименті, де застосовувалася жорстка заготовка, автоколивання
визначалися в основному динамічними характеристиками різця. Це випливає
і з частотного діапазону, де присутні основні спектральні максимуми при
інтенсивних автоколиваннях (основні максимуми вищі меж октави 4 кГц)
(Рис. 2.12).
46

Рис. 2.12 Спектр ділянки з найбільшими вібраціями для пластини ВК8 з
комплексною обробкою
Застосування інструменту з іншими динамічними характеристиками
може змінити спостережувану картину, однак вона залишиться об'єктивною
для нових умов. Тому віброакустичний сигнал може служити діагностичною
ознакою руйнування інструменту.
По завершенні проходу різця вимірювався профіль торцевої поверхні
заготовки з метою визначення відхилення розміру заготовки, викликаного
зносом різця (розмірний знос), за допомогою контурографа фірми MAHR з
точністю 1 мкм (Рис. 2.13).
На отриману криву накладалися дані з акселерометра. Таким чином
визначалося значення L, при якому починався катастрофічний знос
інструменту. Шлях, пройдений різцем обчислювався за формулою:
L (x) = π (x2-r 2
0 ) / s,
де s - подача, r0 - радіус отвору в заготовці.

Рис. 2.13 Контурограф MAHR
47
Експерименти з визначення зносостійкості модифікованих по режиму
близькому до оптимального твердосплавних пластин Н13А проводилися на
діагностичному стенді, створеному на базі токарного верстата фірми
JescoMachinery 1650ENC, укомплектованого трикомпонентним
динамометром «9257BA» фірми Kistler. Проводилось поздовжнє точіння
цилідричних заготовок з жароміцного сплаву ХН73МБТЮ на наступних
режимах: швидкість різання v = 47м / хв; поздовжня подача s = 0,12 мм / об;
глибина різання t = 0,5 мм і ХН67ВМТЮ швидкість різання v = 80 м / хв;
поздовжня подача s = 0,2 мм / об; глибина різання t = 0,5 мм. В якості
критеріїв оцінки зносостійкості пластин розглядалася зміна в процесі
обробки рівнодіючої сили різання і величини зносу по задній поверхні.
Зростаюче застосування композитних матеріалів зумовлює необхідність
проведення досліджень з їх обробки ріжучим інструментом. Зокрема, поки
ще недостатньо вивчений процес свердління такого матеріалу, як синтегран.
Були проведені порівняльні випробування цільних спіральних
твердосплавних свердел зі сплаву ВК8 (К20 по ISO) діаметром 10 мм (кут
при вершині 2φ = 125О, задній кут α = 10о, передній кут γ = 55о, кут нахилу
гвинтової канавки ω = 28о), що пройшли комплексну поверхневу обробку
електронним променем магнетронного напилення сплаву NbHfTi перед
нанесенням зносостійкого покриття (TiAl) N, порівняно з такими ж
свердлами, але без обробки і зі свердлами з таким же іонно-плазмовим
покриттям.
48

Рис. 2.14 Блок синтеграна на оброблюваному центрі, під час його
обробки
Дослідження проводилися в обробному центрі, створеному на базі
верстата 24К40СФ4, оснащеному числовим програмним управлінням (ЧПУ)
FlexNC-70 фірми «Станкоцентр», що дозволяє діагностувати стан свердла в
режимі реального часу з інтервалами 10 мілісекунд (рис. 2.14 ). Досліди з
свердління були проведені на заготовці синтеграна при постійній швидкості
різання v = 41 м / хв і постійній осьовій подачі S = 20 мм / хв. Критерієм
відмови інструменту було вибрано досягнення зносу по задній поверхні
hз = 1 мм, виміряного на ріжучій кромці свердла на відстані 2 мм від
зовнішнього діаметра свердла [57].
Висновки
1. Представлена в роботі методика мікролегування дозволяє отримати в
приповерхневому шарі зразка з твердого сплаву, мікросплав з поліпшеними
фізико-хімічними властивостями (мікротвердість, ударна в'язкість,
тріщиностійкість, висока міцність і т. д.) на глибину до 5 мкм.
2. Достовірність результатів у галузі стійкісних випробувань може бути
забезпечена тільки при застосуванні сучасних методик та сучасної
вимірювальної техніки.

49
Розділ 3. Дослідницька частина
3.1 Особливості впливу електронних пучків на твердий сплав
При імпульсній обробці електронами, поверхневий шар твердого сплаву
з нанесеним на нього легуючим покриттям під час проходження пучка
піддається циклічному нагріву. При швидкому нагріванні електронним
променем зі швидкістю до106 К/с і подальшому швидкісному охолодженню
об'єкта (104 ... 109 К/с) його зовнішні шари охолоджуються швидше
серцевини, тому в них з'являються розтягуючі напруги. Серцевина під дією
більш холодних шарів буде стиснута. При подальшому охолодженні зовнішні
шари будуть деформуватися мало, а серцевина буде скорочуватися,
перебуваючи під дією розтягуючих напруг, стискаючи зовнішні шари. Весь
процес можна розглядати як рух пружинної хвилі від краю зразка до центру,
а потім від центру до краю. При цьому рівень внутрішніх розтягів і стискань
напруг може досягати рівня 3.5 ГПа, що може значно перевищити реальні
значення міцності сплаву (1.08 - 2.18 ГПа).
Відзначимо, що при швидкостях прогріву близьких до 106 К/с можна
очікувати, що класичний розподіл (наприклад Maxwell - Boltzmann)
перестають працювати, що призводить до повної зміни картини явища. До
числа таких найменш зрозумілих процесів, які спостерігаються при взаємодії
з поверхнею металевих матеріалів та іонних або електронних пучків, можна
віднести аномально глибоку модифікацію механічних і фізико-хімічних
властивостей виробів, що супроводжуються суттєвими змінами структури,
посиленими процесами перенесення речовин, що отримали назву ефект
далекодії. Характерно, що зазначений ефект спостерігався тоді, коли через
досліджуваний об'єкт проходили хвилі напруг, порушувані при тих чи інших
енергетичних впливах, в результаті взаємодій з дислокаціями, дефектами
упаковки, межами зерен і субзерен, змінювалися їх щільність і просторовий
розподіл. При цьому спостерігається аномальне перенесення речовини,
ймовірно пов'язане зі зміною дефектної структури матеріалу.
50
Якщо під час процесу спікання твердих сплавів структурні перетворення
стимулюються термодинамічно, завдяки зменшенню поверхневої енергії, то в
нашому випадку додатково змінюється хімічний потенціал системи. Поява
розплаву в об'ємі більш тугоплавких частинок призводить до різкого
збільшення міжфазної поверхні і до зростання швидкості реакції
карбідоутворень. Причому такі сполуки, як TiC, NbC і HfC мають можливість
утворювати нестехіометричні структури, діапазон нестехіометрії яких
варіюється від 0.5 до 0.97. Зі збільшенням числа вуглецевих вакансій
ковалентний хімічний зв'язок в карбідах змінюється на металевий, що
призводить до поліпшення пластичності і теплопровідності керамічного
матеріалу.
Таким чином, перенесення атомів у твердому сплаві при низько-
енергетичому та потужнострумовому впливі на електронний пучок
викликане в основному перепадом температури, а немонотонний характер
профілів розподілу концентрації атомів в опроміненому об'єкті виникає через
градієнт тисків. Джерелом порушення хвиль напруг може бути ефект
термопружності, викликаний різким розширенням розігрітого до високих
температур тонкого поверхневого шару, а також імпульс віддачі,
обумовлений випаровуванням матеріалу в зоні опромінення і подальшим
розльотом парів.
Не менш важливим фактором, що визначає мікроструктуру і властивості
опромінення матеріалу, є квазістатичні термопружності напруги, що
з'являються в поверхневих шарах при імпульсному нагріванні. Ці напруги
обумовлені неоднорідним нагріванням, а область їх дії простягається на сотні
мікрон. На поверхні вони можуть досягати величини в кілька ГПа, тобто
перевищити межі плинності матеріалу. У нашому випадку, коли
опроміненню піддається шаруватий матеріал (твердий сплав з нанесеним на
його поверхню сплав NbHfTi), швидкі процеси плавлення і затвердіння також
дають можливість утворювати незвичайні структури. Згідно з сучасними
уявленнями найбільший вплив на міцність твердого сплаву чинить стан
51
зв'язки, зміна структури якої часто призводить до знеміцнення, і змінення
структури фази карбіду.
3.2 Вплив мікролегування за допомогою низькоенергетичного
потужнострумового електронного пучка на структуру твердих
сплавів ВК8 і Н13А
В таблиці 3.1 наводяться дані рентгеноструктурного аналізу структури
поверхневого шару шліфованої пластини зі сплаву ВК8 до і після обробки
НСЕП за режимами, наведеними нижче.
Таблиця 3.1
Нанесення покриття NbHfTi Режим 1 Режим 2
Потужність магнетрона 350 Вт 350 Вт
Тиск Ar в робочій камері 4.5 10-3torr 4.5 10-3torr
Товщина покриття, нанесеного 0.2 мкм 0.3 мкм
магнетроном
Опромінення НСЕП - -
Щільність енергії за один 4.3 Дж / см2 4.7 Дж / см2
імпульс
Кількість імпульсів 5 10
Тривалість імпульсу 5 мкс 5 мкс
Тиск в робочій камері 1.1 10-3torr 1.1 10-3torr
Кількість серій обробки 2 3
Умовна товщина легованого 0.64 мкм 0.79 мкм
шару
Дифрактограми від поверхневих шарів твердого сплаву ВК8 і фотографії
мікроструктури поверхні до і після впливу обробки представлені
на рис. 2.13 – 3.5.
На дифрактограмі вихідного зразка присутні максимуми, що
відповідають карбіду WC і бета-Со. Вміст кобальту в поверхневому шарі
зменшено порівняно з марочним складом. Ймовірно це пов'язано з
вимиванням Со при шліфовці (Рис. 3.1).
52

Структурний Об'ємна Вагова Періоди,
Фаза
тип частка,% частка,% ангстрем
A = 2.906
WC (type Bh) hP3 / 2 97.4 ± 0.0 98.5 ± 0.0
C = 2.838
beta-Co
cF4 / 1 2.6 ± 0.0 1.5 ± 0.0 A = 3.556
(type A1)
Рис.3.1 Поверхня пластини ВК8 до обробки; дифрактограма сплаву ВК8
в початковому стані з накладеними штрихдіаграмами (для Со у збільшеному
масштабі)

53

54
Структ. Ваг.
Фаза Об.частка,% Періоди, анг.
тип частка,%
A = 2.900
WC (typeBh) hP3 / 2 61.7 ± 0.0 62.8 ± 0.0
C = 2.833
γ-WC (type B1) cF8 / 2 34.6 ± 0.0 33.1 ± 0.0 A = 4.230
W2C (type L'3) hP4 / 6 3.7 ± 0.0 4.2 ± 0.0 -
Рис.3.2 Світло- і темнопольне зображення поверхні пластини ВК8 після
обробки НСЕП (9 імпульсів з енергією 4.3 Дж / см2); дифрактограма сплаву
ВК8 після 9 імпульсів НСЕП з енергією 4.3 Дж / см2 з накладеними
штрихдіаграмами
Після обробки сплаву ВК8, підданого опроміненню НСЕП (4.3 Дж / см2,
9 імпульсів), на оплавленій поверхні з'являється сітка тріщин. Однак вони
незначні і помітити їх чітко можна тільки при збільшенні 1000. Розмір
осередків сітки становить близько 10 мкм, що співставне з розмірами зерна
WC у твердому сплаві ВК8 (1 - 8 мкм).
На дифрактограмах з'являються піки, відповідні карбідам W2C з
гексагональними гратами і цілком ймовірно γ-WC з гранецентрованими
кубічними гратами (фаза ідентифікується, як (W, Ti) C, однак, Ti в сплаві
відсутній), виникає через екстремально високу швидкість охолодження з
розплаву (Рис. 3.2).
При більш інтенсивному опроміненні (30 імпульсів з енергією
4.7 Дж / см2) на поверхні пластини проявляється чітка сітка тріщин з
розміром осередків 10 - 20 мкм. Піки, відповідні відображенню γ-WC, стають
помітно ширшими. І можна говорити про те, що період решітки фази γ-WC
змінюється в межах від 4.248 до 4.274. З'являється одне слабке
віддзеркалення при 2θ ~ 26, відповідно, швидше за все, графіту, що
утворився при розпаді карбідів (Рис. 3.3).
Після відпалу при 490ОС протягом 90 хвилин (імітація термообробки,
яка відбувається під час процесу нанесення зносостійкого покриття) на
рентгенограмі з'являється відображення приблизно при 2θ = 35о, яке можна
пов'язати з появою ще одного карбіду, що утворився, ймовірно, при
55
частковому розпаді метастабільної фази. Його структуру розшифрувати, на
жаль, не вдалося. Сітка тріщин на поверхні пластини стає більш чіткою.
Можна розглянути частинки по межах осередків. Ймовірно, межі осередків
при перекристалізації сплаву з рідкої фази збагачуються вуглецем, і тут
відбувається розрив під дією внутрішніх напруг (Рис. 3.4).

56

Структ.
Фаза Об.частка,% Вага.частка,% Періоди, анг.
тип
A = 2.910,
W C (type Bh) hP3 / 2 5.6 ± 0.0 7.6 ± 0.0
C = 2.842
A = 4.248 -
γ-WC (type B1) cF8 / 2 93.5 ± 0.1 91.0 ± 0.1
4.274
W2 C (type L'3) hP4 / 6 0.9 ± 0.0 1.4 ± 0.0 -
Рис. 3.3 Світло- і темнопольне зображення поверхні пластини ВК8 після
обробки НСЕП (30 імпульсів з енергією 4.7 Дж / см2); дифрактограма сплаву
ВК8 після 30 імпульсів НСЕП з енергією 4.7 Дж / см2 з накладеними
штрихдіаграмами.

57

Об’ємна Вагова
Фаза Структ.тип Періоди, анг.
частка, % частка, %
A = 2.904,
WC (type Bh) hP3 / 2 8.8 ± 0.0 9.6 ± 0.0
C = 2.836
γ-WC (type B1) cF8 / 2 84.8 ± 0.1 87.1 ± 0.0 A = 4.245
карбід (type B1) cF8 / 2 5.7 ± 0.1 2.5 ± 0.0 A = 4.470
W2C (type L'3) hP4 / 6 0.7 ± 0.0 0.9 ± 0.0 -
Рис. 3.4 Мікроструктура поверхні пластини сплаву ВК8 після 30
імпульсів НСЕП з енергією 4.7 Дж / см2 і після відпалу при 490ОС протягом
90 хвилин; дифрактограма сплаву ВК8 після 15 імпульсів НСЕП з енергією
58
4.7 Дж / см2 після відпалу при 490ОС протягом 90 хвилин з накладеними
штрихдіаграмами
Шорсткість пластини після опромінення практично не змінилася,
залишившись на рівні RA = 0.05 - 0.07 мкм. Однак вимірювання
мікротвердості показали деякі зміни. Так, якщо мікротвердість HV25
поверхневого шару вихідного зразка становила 1150 - 1300, то після
опромінення вона знизилася до 950 - 1100 одиниць незалежно від режиму
обробки. Це явище також можна пов'язати зі зміною структури поверхні і
виділенням графіту.
Нанесення на поверхню інструменту тонкого шару карбідоутворюючих
елементів IV - V групи, перед обробкою електронним променем, дозволяє за
рахунок мікролегування отримати багатофазну карбідну структуру. Поява
розплаву в об'ємі більш тугоплавких частинок призводить до різкого
збільшення міжфазної поверхні і зростання швидкості реакції
карбідоутворення. Це, зокрема, дозволяє уникнути накопичення вільного
вуглецю уздовж дислокацій і меж зерен карбідів і запобігти розтріскуванню
поверхні через залишкові термічні напруги. І, хоча згідно з сучасними
уявленнями найбільший вплив на міцність твердого сплаву чинить стан
зв'язки, зміни в якій часто призводить до знеміцнення, тут не менший вплив
чинить і змінюючась структура знов утворившоїся фази карбіду [9].
Як вже зазначалося вище, в результаті впливу НСЕП на поверхню
металокераміки з нанесеною на неї легуючої суміші, на короткий час
(близько 100 нс) виникає ванна розплаву, при кристалізації якої виникає
неоднорідна структура. Зовнішній переплавлений шар збагачується
тугоплавкими карбідними фазами, які кристалізуються першими.
Характерною особливістю переплавленої зони є формування
кристалографічної текстури, викликаної спрямованим тепловідводом при
кристалізації. Нижче формується шар, що утворився за рахунок контактного
плавлення міжфазних кордонів зерен карбідів вольфраму. Чим ближче до
59
поверхні, тим більша товщина зони контактного плавлення і менший розмір
початкових зерен карбідів.

а) б)

в) г)
Рис. 3.5 ВК8, мікроструктура перехідної зони (косою шліф,
електролітичне травлення в розчині щавлевої кислоти), а) зона легування,
б) перехідна зона, в) оптичне фото зони ліквації Со, г) спектрограма в
променях Со Кα.
Структура модифікованого шару переходить в структуру вихідного
твердого сплаву. У цій області спостерігається зональна ліквація кобальту.
На Рис. 3.5 наведена фотографія мікроструктури зразка металокераміки ВК8,
підданого мікролегуванню сплавом NbHfTi після електролітичного
травлення в розчині щавельної кислоти і дані енергодисперсійної
рентгенівської спектроскопії. Вміст кобальту в перехідній зоні, склав 2-3мкм,
який добре витравляється на шліфі, до чотирьох разів перевищує його вміст у
вихідному сплаві. У приповерхневій зоні кобальту не виявлено. Існування
60
такої ліквації можна пояснити тим, що кобальтова фаза, як така, що
кристалізується останньою, переміщується разом з рідкою фазою на межу
зони термічного впливу. Процесу витіснення також сприяє велика різниця
питомих густин карбідів та рідкого кобальту.
На Рис. 3.6 представлені дані вимірювання мікротвердості по перетину
інструменту. Наявність зони, збагаченої кобальтом, підтверджується даними
вимірювання мікротвердості на поперечному шліфі. На кордоні зони
термічного впливу спостерігається її істотне зниження. Далі спостерігається
зміцнена зона глибиною до 50 мкм. При цьому значення мікротвердості на
глибині до 30 мкм можуть бути вищими на 150 - 200 одиниць в порівнянні з
мікротвердістю основи. Максимум спостерігається на глибині близько 15 –
20 мкм. Збільшення мікротвердості можна пов'язати з релаксацією
залишкових розтягуючих напруг, що утворюються при імпульсному
нагріванні.
ВК8 мікролегування NbHfTi Н13А мікролегування NbHfTi

а) б)
Рис. 3.6 Мікротвердість по перерізу пластини ВК8 і пластини Н13А
після мікролегування
Легування поверхні твердого сплаву ВК8 сплавом NbHfTi призводить до
утворенню карбіду, ідентифікованого, як (Nb, Ti) C (ніобій і гафній взаємно
розчиняються). Добре видно відображення фази γ-WC з періодом решітки
4.24 ангстрема. Звертає на себе увагу однотипна структура і близький період
решітки ніобієвого карбіду і високотемпературного карбіду вольфраму.
61

Структурн. Об’ємна Вагова
Фаза Періоди, анг.
тип частка,% частка,%
62
A = 2.895,
WC (typeBh) hP3 / 2 20.4 ± 0.1 30.1 ± 0.1
C = 2.832
γ-WC (type B1) cF8 / 2 17.0 ± 0.1 23.5 ± 0.1 A = 4.233
(Nb, Ti) C (type B1) cF8 / 2 54.3 ± 0.2 32.9 ± 0.2 A = 4.375
A = 2.989,
W2C (type L'3) hP4 / 6 8.2 ± 0.1 13.5 ± 0.1
C = 4.696
Рис. 3.7 Світло- і темнопольні зображення поверхні пластини ВК8 після
легування обробкою НСЕП по режиму 1; дифрактограма з накладеними
штрихдіаграмами

63

Структурн. Об’ємна Вагова Періоди,
Фаза
тип частка,% частка,% анг.
A = 2.908,
WC (type Bh) hP3 / 2 2.6 ± 0.0 4.9 ± 0.0
C = 2.844
γ-WC (type B1) cF8 / 2 15.5 ± 0.1 26.7 ± 0.2 A = 4.287
(Nb, Ti) C (type B1) cF8 / 2 79.6 ± 0.2 63.5 ± 0.2 A = 4.352
A = 2.977,
W2C (type L'3) hP4 / 6 2.3 ± 0.0 4.8 ± 0.1
C = 4.623
Рис. 3.8 Світло- і темнопольне зображення поверхні пластини ВК8 після
легування обробкою НСЕП по режиму 2; дифрактограма з накладеними
штрихдіаграмами.

На рис. 3.7 і рис. 3.8 наведені відповідні дифрактограми і
мікроструктура поверхні.
Після легування мікроструктура поверхні пластини ВК8 сильно
змінюється. Стає більш дрібнодисперсною і місцями зовні нагадує евтектику
(Рис. 3.7). При обробці по режиму 1 тріщин на поверхні не утворюється,
шорсткість поверхні збільшується до RA = 0.08 - 0.10 мкм. При обробці по
режиму 2 поверхня все ж розтріскується, шорсткість поверхні зростає до
RA = 0.11 - 0.13 мкм. Але характер розтріскування відрізняється від
розтріскування при обробці без легування. Є як широкі, так і вузькі тріщини.
Нішова структури розтріскування не спостерігається (Рис. 3.8). Тут уже,
очевидно, присутня надмірність легування. Крім того, очевидна, і прикладена
потужність вже надлишкова для даного варіанту.
64
Мікротвердість, виміряна на поверхні, збільшується до 1250 - 1350
одиниць HV25 для випадку обробки по режиму 1 і до 1400 - 1650 при обробці
по режиму 2.
Симетрична зйомка
Кут ковзання – 10о
Рис. 3.9 ВК8, легування NbHfTi по режиму 2, зміна інтенсивності
віддзеркалень при симетричній і асиметричній зйомках

Порівняння спектрів, отриманих при симетричній і несиметричній
зйомках, показали зміну інтенсивностей відображень двох основних
кубічних фаз, які пов'язані з наявністю в фазах кристалографічної текстури
{100} паралельно поверхні зразка, що викликана спрямованим
тепловідводом при кристалізації розплавленої поверхні. Тому досить складно
говорити про кількісне співвідношення карбідів ніобію-гафнію-титану і
γ-WC, хоча фази (Nb, Hf, Ti) C на поверхні відчутно більше. Очевидно, що
Nb, Hf, і Ti активно пов'язують вуглець. Відбиття від графіту не
спостерігається.
Фаза W2C добре проглядається тільки в асиметричній геометрії зйомки,
тобто, вона розташовується на самій поверхні зразка (Рис. 3.9).
65
Відпал при 490ОС легованого сплаву не призводить до будь-яких
помітних на рентгенограмі змін структури (Рис. 3.10), проте напівширина
ліній дещо зменшується, що може бути викликане зняттям внутрішніх
напруг. Спостерігається суттєве підвищення мікротвердості поверхні після
відпалу. Незалежно від режиму обробки мікротвердість HV25 збільшується до
1950 - 2150 одиниць.
Легування
Легування+відпал
Рис. 3.10 Зміна дифрактограми після відпалу легованого по режиму 2
сплаву ВК8
Взаємодія легуючого шару і твердого сплаву можна оцінити по
розподілу вольфраму і кобальту в проміжному шарі. На зламі і косому шліфі
чітко помітні різні етапи обробки (Рис. 3.11, рис. 3.12). Розподіл хімічних
елементів поблизу поверхні досліджена на растровому електронному
мікроскопі за допомогою хвиледисперсійного аналізатора. Концентрації Nb,
Hf і W в проміжному шарі свідчать про перемішуванні твердого сплаву з
легуючим покриттям. Це свідчить про утворення багатокомпонентного
сплаву Hf NbTi WCo C між WC / Co основою і (TiAl) N покриттям.
66

а)

б)
Рис. 3.11 Сплав ВК8. а) Зображення зламу пластини у вторинних
електронах, б) Розподілення Co, W, Hf, Nb і Ti в приповерхневому шарі

а) б)
67

в) г)
Ti Kal Al Kal W Lal Nb Lal Hf Lal Co Kal

д) е) ж) з) і) к)
Рис. 3.12 а) SEM зображення зламу пластини Н13А після комплексної
обробки, б) оптичне зображення, косої шліф, електролітичне травлення в
розчині щавельної кислоти, протравлена зона, збагачена Со,
в) SEMізображення ділянки шліфа б), г) розподіл хімічних елементів у
проміжному шарі (повернуто), д-к) карта розподілу ряду хімічних елементів

В роботі [60] наводиться аналіз причин поліпшення характеристик
міцності обробленого електронним пучком твердого сплаву. Наголошується,
що характеристики міцності твердого сплаву, відповідальні за виявлене
підвищення мікротвердості і зносостійкості, визначаються низкою
різноманітних механізмів (твердорозчинне, зернограничне, граткове,
деформаційне зміцнення, зміцнення частками інших фаз), які беруть участь у
цьому процесі. Внеском кожного з механізмів в зміцненні можна управляти,
хоча воно досить сильно залежить від факторів обробки електронним
променем.
У нашому випадку ми маємо справу з деформаційним зміцненням,
викликаним проходженням пружної хвилі, яка генерується при імпульсному
електронно-променевому впливі. При цьому в речовині виникає стрибок
68
тиску (до 1010 Па), щільності, питомої внутрішньої енергії та інших
характеристик, які поширюється по ньому з надзвуковою швидкістю
(~ 103 м/с). За фронтом ударної хвилі речовина починає рух, набуваючи
масової швидкості, величина якої хоча і менша за швидкість самої ударної
хвилі, але має той же порядок. Ударне стиснення супроводжується фазовими,
хімічними і структурними перетвореннями. При цьому через малу тривалість
процесу (~ 10-6с) і теплову інерцію, нагрів, обумовлений стисненням і
внутрішнім тертям, швидше за все, не є фізичним фактором, який визначає
поведінку речовини в цих умовах. Основну роль в даному випадку буде
відігравати механічне активування швидкопротікаючих в речовині фізико-
хімічних процесів, які, в основному, є твердофазними.
При проходженні ударної хвилі по дисперсійному середовищу
дисипація енергії ударної хвилі локалізується в основному в поверхневому
шарі частинок. Відповідно і нагрів речовини до високих температур
спостерігається саме в поверхневому шарі. Завдяки дії хвиль розрідження і
тепловідводу в центр карбідного зерна, його поверхня швидко остигає. Це
призводить до того, що на межі розділу між спресованими частками
спостерігаються дрібнозернисті дендритні структури (Рис. 3.13).

а) б)
Рис. 3.13 Структура сплаву ВК8 після впливу електронно-променевої
обробки (ТЕМ JEM-200CX); а) світлопольне зображення, б) темнопольне
зображення в матричному рефлексі; (Збільшення 37000)
Спостерігається помітне спотворення кристалічної решітки, генерується
велика кількість точкових і лінійних дефектів (дислокацій), які відіграють
роль зародків субзерен. При цьому відбуваються такі процеси, як статична і
69
динамічна рекристалізація, фазові перетворення [61]. При обробці
подрібнюються зерна структури сполучного матеріалу і зменшується
середній розмір кристалітів WC за рахунок утворення дислокаційної
дірчастої і глибинно-сітчастої субструктури, відбувається збільшення вмісту
елементів впровадження та заміщення в кристалічній решітці.
3.3 Вплив комплексної обробки на ріжучу здатність твердосплавних
пластин зі сплаву ВК8, пластин Н13А (аналог ВК6ОМ) і
твердосплавних свердл із ВК8
3.3.1 Оптимізація технології мікролегування поверхні ріжучих
пластин з ВК8 і пластин Н13A (аналог ВК6ОМ)
В якості керуючих факторів процесу мікролегування поверхні твердого
сплаву розглядалися: прискорююча напруга - U, від якої залежить щільність
енергії пучка; час (тобто товщина попереднього покриття) нанесення на
поверхню різців за допомогою магнетрона складу NbHfTi - Т; кількість
обробних імпульсів - n; тиск робочого газу у вакуумній камері під час
опромінення - P; кількість циклів обробки (повторення операцій нанесення -
опромінення) - N. Оптимізація величин, факторів електронно-імпульсного
опромінення, на основі експериментальних даних, дозволяє створити в
приповерхневому шарі модифіковану структуру твердого сплаву, що
значною мірою впливає на поведінку сплаву при різання металу.
Один з параметрів різання вибирається для оцінки якості управління.
Параметром, за яким оцінювалася якість обробки, була обрана величина
шляху різання L, при досягненні якої наступав катастрофічний знос ріжучої
пластини в експериментах по торцевому точінні сталі.
Інформацію про процес мікролегування можна представити у вигляді
математичної моделі обробки. Така математична модель буде являти собою
систему математичних співвідношень між параметрами і керуючими
факторами. Її можна отримати емпірично, якщо порівняти графіки
функціональних залежностей з графіками деяких найбільш часто
використовуваних функцій.
70
Для вирішення завдання управління процесом мікролегування за
допомогою НСЕП використовувалася неповна експоненціально-статечна
мультиплікативна стохастична модель, яку шляхом логарифмування можна
привести до логарифмічно лінійної поліноми.
В цьому випадку завдання планування являє собою завдання
стохастичного програмування і вирішується шляхом приведення його до
детермінованого еквіваленту задачі лінійного програмування та подальшого
вирішення симплекс методом на ЕОМ. Для отримання оптимальних значень і
факторів модель має вигляд:
С Ua1 Ta2 na3 Pa4 Na5exp (b1U + b2T + b3n + b4P + b5N) = Lmax
Значення параметрів математичної моделі, коефіцієнт і показники
ступенів визначалися методами бібліотечних функцій програмного пакету
MATLAB.
Так як при обробці електронним пучком має місце суттєва
неоднорідність розподілу енергії по перетину пучка і опору контакту між
оброблюваним об'єктом і колектором (держаком), то приймається достатнім
збіг експериментальних даних з розрахованими в результаті моделювання на
рівні 20%.
Використовувався класичний план експерименту - п'ять однофакторних
планів, у яких кожен фактор варіюється на трьох рівнях. Проводилося 21
дослідження - працювали пластини, оброблені з різними режимами обробки
електронно-променевого легування (Таблиця 3.2).

71
Таблиця 3.2
Планування експерименту
Фактор 3 Фактор 5 Відкл.
№ Фактор 1 Фактор 2 Фактор 4 Шлях
К-ть імп., к-ть мод.
експ. U, В τ, хв PAr, торр L, м
шт. серій, шт %
1. 16 1 3 0,5 1 274 14
2. 20 1 3 0,5 1 281 18
3. 16 3 3 0,5 1 355 22
4. 16 1 10 0,5 1 396 8
5. 16 1 3 1,5 1 386 11
6. 16 1 3 0,5 5 477 4
7. 18 1 3 0,5 1 245 13
8. 16 2 3 0,5 1 300 5
9. 16 1 5 0,5 1 396 14
10. 16 1 3 1,0 1 346 2
11. 16 1 3 0,5 3 394 19
12. 18 2 3 0,5 1 269 16
13. 16 2 5 0,5 1 360 9
14. 16 1 5 1,0 1 415 7
15. 16 1 3 1,0 3 501 19
16. 18 1 5 0,5 1 296 12
17. 16 2 3 1,0 1 375 4
18. 16 1 5 0,5 3 475 11
19. 18 1 3 1,0 1 309 9
20. 16 2 3 0,5 3 432 15
21. 18 1 3 0,5 3 353 12

Отримана модель для сплаву ВК8 має вигляд:
L = 2.4 104 U-2.39 T0.17 n0.48 P0.40 N0.30exp (0.13U - 0.02T - 0.03n -
0.11P + 0.02N)
З отриманої моделі можна визначити необхідні значення керуючих
факторів: оптимальне значення прискорюючої напруги 18 кВ; оптимальну
кількість обробних імпульсів - 5; оптимальний час нанесення покриття
NbHfTi магнетроном склало 2 хвилини 35 секунд; оптимальний тиск
робочого газу (аргону) у вакуумній камері при опроміненні склав 4х10-2Па.
Оптимальна кількість циклів обробки - 4. Оптимальні режими обробки для
сплаву ВК8 і пластин Н13А практично збігаються.
72
За результатами торцевого точіння сталі 40Х виявлено, що інтенсивність
зношування dhP / dL (hP- розмірний знос різця, L - шлях різання) для пластин
без обробки приблизно в два рази вищий в порівнянні із зразками зі
зносостійким покриттям і з комплексною обробкою, де вона майже однакова.
Але ріжучі пластини тільки зі зносостійким покриттям руйнуються значно
раніше. Катастрофічне руйнування вихідного зразка та зразка зі зносостійким
покриттям (TiAl) N починається при досягненні розмірного зносу близько
0.15 мм (Рис.3.14, рис. 3.15). При цьому відбувається руйнування різального
краю інструмента, що стає помітним з поведінки кривої розмірного зносу.
Різець з комплексною обробкою «тримає» ріжучу кромку значно довше (до
розмірного зносу 0.2 мм для Н13А). На пластинах Н13А з комплексною
обробкою ріжуча кромка витримує навантаження аж до руйнування
матеріалу основи через перегрів.
Наявність складних карбідів ніобію, гафнію і титану на модифікованій
поверхні твердого сплаву і майже 10% збільшення мікротвердості
приповерхневого шару завтовшки до 500 мкм знижує міцність адгезійного
зв'язку, який присутній на всій поверхні зіткнення між оброблюваним
матеріалом і поверхнею інструменту, схильною до зносу, в порівнянні з
обробкою різцями, тільки зі зносостійким покриттям. Краща стійкість
інструменту після комплексної обробки обумовлюється менш інтенсивною
хімічною взаємодією таких карбідів з оброблюваним матеріалом. Саме тому,
а також завдяки більш високій твердості, такі складні карбіди схильні до
зносу менше, ніж карбіди WC.
Зміни розміру заготовки при торцевому точінні сталі 40Х.
Рис. 3.14 - ВК8 (t = 1 мм, s = 0,05 мм / об, n = 1250 об / хв);
Рис. 3.15 - Н13А (t = 1,2 мм, s = 0,05 мм / об, n = 1800 об / хв)
73

Рис. 3.14 Зміна розмірів деталі, мм: 1-вихідний розмір деталі; 2-розмір
деталі з покриттям; 3-розмір деталі з комплексною обробкою. Шкала 0-600 –
довжина; 200-800 – швидкість різання, 0-1,2 – відхилення розмірів деталі.

Рис. 3.15 Зміна розмірів деталі, мм: 1-вихідний розмір деталі; 2-розмір
деталі з покриттям; 3-розмір деталі з комплексною обробкою. Шкала 0-600 –
довжина; 200-1200 – швидкість різання, 0-1,4 – відхилення розмірів деталі.
3.3.2 Дослідження властивості твердосплавної пластини Н13А
(аналог ВК6ОМ) після комплексної обробки при різанні
жароміцних сплавів ХН73МБТЮ та ХН67ВМТЮ
Як вже зазначалося, місця зносу на ріжучому інструменті з твердого
сплаву можуть виникати на всіх робочих поверхнях. А розташування
превалюючого вогнища зносу, розвивається в тому місці, де виникає
максимальна температура під час обробки. Значна частина енергії тертя
74
інструменту переходить в теплову. а жароміцні сплави мають низьку
теплопровідність.
На стан поверхневого шару заготовки і шорсткість її поверхні, істотно
впливає результат силової післядії перетворення зрізаного припуску в
стружку, внаслідок якого виникає перехідний пластично-деформаційний
шар, який визначається процесами самопристосування, та відповідає за
утворення застійної зони і наросту. Процес охоплює зону
стружковиникнення і трибоконтактів робочих поверхонь різця зі стружкою і
поверхнею, яка піддається обробці. Деформації досягають глибин від
декількох мікрометрів до сотих часток міліметра. Інтенсивність і глибина
поширення наклепу зростає із збільшенням сил різання і тривалості їх
впливу.
Від величини сили різання залежить зміна розмірів, через зсув
оброблюваної заготовки щодо центрів верстата, інтенсивність стирання
контактних майданчиків різцевої пластини, величина внутрішніх напруг,
часто призводить до зламу чи зміни розмірів оброблюваних деталей.
Проведені дослідження по зносу змінних багатогранних пластин Н13А
на операції точіння жароміцного сплаву ХН73МБТЮ показали, що
електронно-променеве легування в поєднанні з покриттям знижує силу
різання, змінює розташування центру зносу інструменту і впливає на
інтенсивність його зносу (Рис. 3.16).
При різанні інструментом без обробки характерним місцем виникнення
зносу є вершина пластини (рис. 3.16 а, б).
Для інструментів зі зносостійким покриттям і комплексною обробкою
спостерігається блокування розвитку зносу вершини, що істотно сповільнює
наступ стадії катастрофічного зносу (рис. 3.16, в-е). Це можна пов'язати з
тим, що приповерхневий модифікований шар, отриманий за допомогою
комплексної обробки, володіє хімічною пасивністю і знижує адгезивну
взаємодію з оброблюваних матеріалом. Карбіди Ti, Nb і Hf утворюють стійкі
і міцні оксиди. В результаті змінюються характеристики контактних
75
процесів, що істотно знижують потужність джерела виділення теплоти
поблизу ріжучого клина інструмента.
З рис. 3.16 випливає, що окрім блокування зносу різця біля вершини
також відбувається зниження інтенсивності зносу по задній поверхні.
Відомо, що до катастрофічного зносу по задній поверхні призводить
поступове збільшення температури в зоні безпосереднього контакту, яка з
часом досягає значень, при яких починаються незворотні процеси у твердому
сплаві. Уповільнене зношування по задній поверхні на інструменті з
комплексною обробкою можна пояснити тим, що приповерхневий шар,
створений під покриттям, має підвищену твердість у поєднанні з більш
високою теплостійкістю і краще чинить опір мікропластичній деформації. Це
і гальмує процеси знеміцнення біля задньої поверхні.
У цьому полягає відмінність в зносі задньої поверхні інструмента з
комплексною обробкою і зношуванням інструменту тільки з покриттям.
Інструмент з покриттям без мікролегування після виділення основних умов
тертя по задній поверхні, все більше наближаються до тих, які характерні для
інструменту без покриття.

76

Рис. 3.16 Знос ріжучих пластин Н13А при точінні жароміцного сплаву;
а - б) пластина без покриття; в-г) пластина з покриттям; д - е) пластина після
комплексної обробки

Інструмент з комплексною обробкою навіть після прориву покриття
модифікованого шару продовжує виконувати свої захисні функції, що
відбивається на картині зносу інструменту (рис. 3.16, г, е). Комплексна
обробка помітно стримує утворення лунки зносу на передній поверхні. Зона
зносу на таких пластинах розташовується ближче до вершини інструменту,
ніж у пластин тільки зі зносостійким покриттям, але при цьому знос по
вершині пластини не розвивається.
На практиці стійкість металорізального інструменту визначається
величиною зносу по задній поверхні (для чистових операціях токарної
обробки критичним прийнято вважати його величину порядку 0,3-0,4 мм, для
чорнових - 0,4-0,8 мм). Найчастіше цей критерій не завжди є об'єктивним.
Знос може мати різний характер, що якраз характерно для розглянутого
випадку.
Тому в якості критеріїв оцінки зносостійкості пластин Н13А при різанні
жароміцного сплаву крім величини зносу по задній поверхні розглядалася і
зміна в процесі обробки рівнодіючої сили різання (рис. 3.17).
77
1. без обробки
2. з обробкою
3. комплексна
обробка

а)
1. без обробки
2. з обробкою
3. комплексна
обробка

Рис. 3.17 а) залежність величини рівнодіючої сили різання від часу;
б) залежність величини зносу ріжучої пластини по задній поверхні від часу

На основі стійкістних випробувань змінної багатогранної пластини
Т, хв
можна зробити висновок: Приріст стійкості пластини після комплексної
обробки, що включає в себе легування за допомогою НЕСП і подальше
нанесення покриття (TiAl) N за критерієм сил різання склав до 100% в
78
порівнянні з пластинами без обробки і до 75% в порівнянні з пластинами
тільки зі зносостійким покриттям (рис. 3.17, а). Збільшення стійкості за
критерієм величини зносу по задній поверхні склало близько 400-500%
порівняно з пластинами без обробки і до 40% в порівнянні з пластинами
тільки зі зносостійким покриттям (рис. 3.17, б).
Щоб більш детально вивчити відмінність в зносі задньої поверхні
інструменту з комплексною обробкою, від зносу інструменту тільки з
покриттям, була проведена серія експериментів по різанню жароміцного
сплаву ХН67ВМТЮ.
На рис. 3.18 і рис. 3.19 проведено дослідження процесу зношування
ділянки пластини Н13А, прилеглої до активної ділянки різального краю за
допомогою оптичного 3D- сканера.
Звертає на себе увагу різний характер виникнення наліпів і наростів на
ріжучій кромці, що свідчить про зміну процесу стружковиникнення після
мікролегування поверхні інструменту. Зміна структури і фазового складу
матеріалу різця призводить до зміщення зони наліпів оброблюваного
матеріалу ближче до вершини різця. Щоб уникнути явища сходження
стружки, потрібно дещо змінити геометрію пластини, адаптуючи її до
змінних умов різання.
Виявлено, що виникнення відколів поза робочої зони не сильно впливає
на шорсткість обробленої поверхні. Для заданих режимів різання шорсткість
визначалася скоріше індивідуальними властивостями пластини, ніж режимом
її обробки. Розкид значень RA від пластини до пластини становив від 1.6 до
3.5 мкм.
79
2 хв

8 хв

14
хв

18
хв

Рис. 3.18 3Dскани ділянки різального краю і фото задньої поверхні
зношених пластин Н13А з покриттям (TiAl) N при різанні сплаву
ХН67ВМТЮ; v = 80 м / хв, t = 0.5 мм, s = 0.2 мм

80
2
хв

8
хв

14
хв

18
хв

Рис. 3.19 3Dскани ділянки різального краю і фото задньої поверхні
зношених пластин Н13А з мікролегуванням сплавом NbHfTi і покриттям
(TiAl) N при різанні сплаваХН67ВМТЮ; v = 80 м / хв, t = 0.5 мм, s = 0.2 мм

81
Таким чином, можна виділити ряд особливостей роботи пластин при
комплексній поверхневій обробці. Приробітка таких пластин відбувається
швидше, і значення шорсткості залишаються стабільними довше (рис. 3.20).

Рис. 3.20 Зміна шорсткості поверхні заготовки при різанні сплаву
ХН67ВМТЮ пластинами Н13А зі зносостійким покриттям і комплексною
обробкою (v = 80 м / хв, t = 0.5 мм, s = 0.2 мм)

а) б)
Рис. 3.21 Зміна радіусу заокруглення різального краю ρ після приробітці
пластини протягом 4 хвилин. (3D сканер GFM); а) - пластина з покриттям
(TiAl) N, б) - пластина з комплексною обробкою. Також на графіках наведено
радіус різального краю вихідної пластини

Іншою особливістю зношування пластин Н13А після комплексної
обробки є зміна місця формування лунки зносу - переміщення її ближче до
82
радіусної частини інструменту. При цьому слід зауважити, що радіус
округлення різального краю, який утворюється при взаємодії оброблюваної і
виготовленої поверхонь, у разі мікролегування помітно менший (рис 3.21). З
цим пов'язане істотне падіння сили різання.
3.3.3 Дослідження процесу свердління сінтеграна цільними
твердосплавними свердлами з ВК8 з комплексною обробкою
ріжучої частини
Синтеграни - це полімерні бетони які являють собою високонаповнені
композитні матеріали на основі епоксидної (сполучної) матриці на базі
термореактивної смоли, а також наповнювачів у вигляді щебеню декількох
фракцій і дисперсного порошку з високоміцних гранітів.
Синтеграни зазвичай містять не більше 10% сполучної фази. За своїми
фізико-механічними характеристиками - межі міцності при стисненні і
вигині, модуля пружності, теплопровідності, зносостійкості - наближаються
до натуральних гранітів, але значно перевершують їх по технологічності [64].
У синтеграна міцність при розтягуванні, стисненні, вигині мало залежить від
змісту сполучного δ = (6 - 11%) і визначається в основному властивостями
гранитного щебеню і щільністю його упаковки. Динамічний модуль
пружності Е, коефіцієнти лінійного розширення і текучості більш чутливі до
зміни змісту сполучного, і зі збільшенням його процентного вмісту, як
правило, нижчий в порівнянні з характеристиками природного граніту [66].
Властивості композитних матеріалів, таких як термостійкість,
термостабільність, ударна міцність, водостійкість, хімічна стійкість, а також
механічні властивості, визначаються в основному властивостями полімерної
матриці і міжфазних кордонів [67]. Важливою властивістю синтеграна при
свердлінні його без МОР є його термостійкість, так як епоксидна смола
разплавляється при досягненні температури термостійкості (133 - 260ОС) у
зоні контактної взаємодії [68].
83

Рис. 3.22 Залежність шляху різання від зносу інструменту по задній
поверхні при постійній швидкості різання і осьовій подачі при свердлінні
синтеграна. 1 - вихідне свердло, 2 - свердло з покриттям (TiAl) N без
мікролегування, 3 - свердло з комплексною обробкою

Характер зносу цільних твердосплавних свердел зі сплаву ВК8 при
свердлінні синтеграна без МОР визначається специфікою формування
стружки. Збільшення температури в зоні взаємодії свердло-синтегран
призводить до плавлення зв'язки. Має місце вібрація, що виникає в процесі
свердління, маючи на увазі анізотропний стан полімербетона в цілому. У ході
свердління синтеграна, свердло зустрічає на своєму шляху великі і маленькі
частинки граніту, а також порожнечі різних розмірів.
Тим не менш, незважаючи на збільшення зносу з часом свердла
продовжували працювати без помітного збільшення обертового моменту і
осьової сили. Свердла без покриття, зношуються швидше, ніж свердла з
покриттям (TiAl) N до півтора - двох разів, і до трьох-чотирьох разів ніж
свердла з комплексною обробкою (рис. 3.22). При досягненні критерію
відмови інструменту періоди стійкості свердел склали відповідно 11, 24,
38хв. в середньому.
Рис. 3.33 показує відносний знос по задній поверхні на дев'ятій хвилині
різання для свердел без обробки (а), свердел тільки зі зносостійким
покриттям (TiAl) N, (б) свердел з комплексною обробкою.
84

а) б) в)
Рис. 3.33 Мікрофотографії зносу по задній поверхні свердел на дев'ятій
хвилині різання. а) вихідне свердло, б) свердло з покриттям (TiAl) N,
в) свердло з комплексною обробкою

Осьова сила для свердел з комплексною обробкою до 15% нижча в
порівнянні з необробленим інструментом і до 10% в порівнянні зі свердлами
тільки з іонно-плазмовим покриттям. Відзначено, що зміна величини осьової
сили у міру зносу свердел в усіх випадках незначне (в межах 5%), а зміни
величини обертового моменту більш істотні (до 20%) (рис.3.34). Тому при
свердлінні синтеграна в якості діагностичної ознаки відмови інструменту на
автоматизованих верстатах доцільно використовувати вимірювання
обертового моменту.
Таким чином, комплексна обробка дозволяє ефективно використовувати
поєднання твердості і в'язкості основи інструментального матеріалу,
мікротвердості і теплостійкості модифікованого шару, зносостійкості,
хімічної та дифузійної пасивності тугоплавкого з'єднання (Ti, Al) N,
використовуваного в якості покриття. Оскільки комбінована обробка істотно
змінює характеристики контактних і теплових процесів при різанні і впливає
на поверхневі властивості твердосплавного інструменту, умови експлуатації
інструменту повинні істотно відрізнятися від експлуатації звичайного
інструмента. Критичні температури для зміцненого інструменту будуть
досягатися при великих швидкостях різання.
85

Рис. 3.34 Зміна обертового моменту в залежності від зносу свердла по
задній поверхні при постійній швидкості різання і осьовій подачі: 1 - вихідне
свердло, 2 - свердло з покриттям (TiAl) N, 3 - свердло з комплексною
обробкою.

Висновки
1. Перенесення атомів у твердому сплаві при впливі
низькоенергетичним потужнострумовим електронним пучком викликаний в
основному перепадом температури, а немонотонний характер профілів
розподілу концентрації атомів в опроміненому об'єкті викликаний градієнтом
тисків.
2. Зміна структури при обробці пов'язана з подрібненням зерна
сполучного матеріалу і зменшенням середнього розміру кристалітів WC за
рахунок утворення дислокаційної дірчастої і глибинно-сітчастої
субструктури, збільшенням вмісту елементів впровадження та заміщення в
кристалічній решітці.
3. Стійкість пластин Н13А з комплексною обробкою при різанні
жароміцного сплаву ЕІ968 за критерієм сил різання склала до 100% у
порівнянні з вихідними пластинами без обробки і до 75% в порівнянні з
пластинами тільки зі зносостійким покриттям. Приріст стійкості за критерієм
величини зносу по задній поверхні склав близько 400-500%, порівняно з
86
пластинами без обробки і до 40% в порівнянні з пластинами тільки зі
зносостійким покриттям. Спостерігається зсув зони зносу і вершини різця і
зменшення радіусу заокруглення різального краю ρ після приробітки різця.
2. Свердління синтеграна спіральними свердлами з описуваними вище
властивостями, показує, що використання твердосплавних свердел тільки з
покриттям (TiAl) N збільшує стійкість свердел в 1.5 - 2 рази, в той час як
свердла з комплексною обробкою збільшують стійкість в 3 - 4 рази при
свердлінні без використання МОР.

87
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях
4.1 Вимоги охорони праці під час оброблення металів різанням
Оптимізація режимів електронно-променевої обробки проводилась на
токарно-гвинторізному верстаті 16К25, тому розглянемо вимоги охорони
праці під час оброблення металів різанням.
Оброблення заготовок діаметром до 630 мм включно на універсальних
верстатах токарної групи необхідно виконувати із застосуванням захисного
огородження зони оброблення. З протилежного робочому місцю боку зона
оброблення повинна мати екран.
Під час установлення і знімання заготовок на універсальних токарних і
токарно-револьверних верстатах огородження їх затискних патронів повинні
легко відводитися та не обмежувати технологічні можливості верстатів.
В універсальних токарних, токарно-револьверних і карусельних
верстатах час гальмування шпинделя після його вимикання при всіх частотах
обертання не повинен перевищувати: у токарних верстатах для оброблення
деталей діаметром до 500 мм - 5 секунд; у токарних верстатах для
оброблення деталей діаметром до 630 мм - 10 секунд; у карусельних
верстатах для оброблення деталей діаметром до 1000 мм - 10 секунд. Для
токарних і карусельних верстатів, призначених для оброблення більших за
розмірами деталей, час гальмування не встановлюється.
Під час виконання робіт на токарних верстатах з механізованим
переміщенням пінолі задньої бабки необхідно застосовувати пристрій
(планшайбу) для регулювання і контролю осьового зусилля притискання
центра пінолі до заготовки. У токарно-карусельних верстатах планшайба
повинна мати огородження, яке не перешкоджає обслуговуванню верстата.
Оброблювані заготовки (прутки) на пруткових токарних автоматах і
пруткових револьверних верстатах повинні мати огородження по всій
довжині, обладнане шумопоглинальним пристроєм.
У разі застосування огородження у вигляді напрямних труб, що
обертаються разом із заготовкою (прутком) або коли заготовка (пруток) із
88
задньої сторони виступає за межі огородження, прутковий магазин повинен
мати кругове огородження по всій довжині.
Під час оброблення довгомірних заготовок (прутків) на універсальних
верстатах пруток повинен обгороджуватися захисним пристроєм з боку
заднього кінця шпинделя.
Під час точіння деталей (валів, осей) довжиною понад дванадцять
діаметрів, а також під час швидкісного або силового точіння деталей
довжиною понад вісім діаметрів необхідно застосовувати додаткові опори
(люнети).
Різальний інструмент необхідно встановлювати з мінімальним
вильотом. Для установлення різального інструмента по висоті необхідно
використовувати набір підкладок різної товщини, довжина і ширина яких
повинні бути не меншими опорної частини різця. Закріплення різця повинно
здійснюватися не менше ніж двома болтами по всій площині різця.
Під час оброблення ламких матеріалів і при утворенні дрібної сталевої
стружки необхідно використовувати пристрої для видалення стружки.
Під час свердління отворів у деталях необхідно використовувати
стаціонарні або ручні затискні пристосування (затискні пристрої, упори,
напрямні елементи, кондуктори). Не дозволяється утримувати деталь руками.
Пристосування (кондуктори) для свердління та оброблення отворів
діаметром до 6 мм, які не закріплені стаціонарно, повинні мати рукоятки,
скоби для утримання їх рукою. Для уникнення повороту пристосування або
відривання його від столу необхідно застосовувати упори, притискні
пристрої.
Оброблення заготовок діаметром до 1250 мм на верстатах
зубооброблювальної групи необхідно виконувати із захистом зони
оброблення пристроями з оглядовими вікнами з органічного скла.
По закінченні циклу оброблення заготовки на верстатах зупинка
інструмента повинна відбуватися протягом інтервалів часу, але не більше:
89
− 6 секунд - для зубофрезерних і зубодовбальних верстатів,
призначених для оброблення деталей діаметром до 1000 мм;
− 10 секунд - для зубофрезерних і зубодовбальних верстатів,
призначених для оброблення деталей діаметром понад 1000 мм;
− 5 секунд - для зубошевінгувальних, зубохонінгувальних і
зубонакатних верстатів;
− 30 секунд - для зубошліфувальних верстатів, що працюють з
конусним, профільним абразивними кругами;
− 40 секунд - для зубошліфувальних верстатів, що працюють з
черв'ячним кругом.
Нарізання конічних зубчастих коліс із круговим зубом необхідно
виконувати на верстатах з блокуванням включення руху інструмента від
електропривода при користуванні ручним приводом інструмента під час
вивірення різців зуборізної головки.
Оброблення конічних коліс із круговим зубом діаметром 500 мм і
більше необхідно виконувати із застосуванням захоплювального пристрою
(ременем з буртами) з міцного матеріалу (брезенту), оснащеного рукоятками
для захоплення підіймальним пристроєм.
Під час різання металів неробоча ділянка пилки відрізного
круглопилкового верстата повинна бути огороджена. Відрізні круглопилкові
верстати повинні з передньої сторони оснащуватися відкидним убік або
знімним захисним екраном.
Не дозволяється використовувати пильні диски з діаметром отвору, що
перевищує діаметр вала (шпинделя), а також застосовувати вставні кільця
(втулки) для зменшення діаметра отвору.
Відрізані заготовки необхідно передавати в тару за допомогою
конвеєрів, жолобів.
Подавання матеріалу під час його розрізання стрічковими або
дисковими пилками необхідно виконувати за допомогою спеціальних
пристосувань, що забезпечують стійке положення матеріалу.
90
Під час роботи верстата не дозволяється стояти в площині обертання
дискової пилки або абразивного відрізного круга, виштовхувати стружку із
сегментів диска під час його обертання, а також підтримувати кінець
заготовки, що відрізається.
Для охолодження зони різання під час оброблення виробів з магнію
необхідно застосовувати мастильно-охолоджувальні рідини на основі
мінеральних і рослинних масел, що не містять кислот і води.
Стружку і пил магнієвих сплавів необхідно зберігати в закритій
металевій тарі.
4.2. Робоче місце оператора електронно-променевого напилення
Правильне розміщення металорізальних верстатів, верстаків та іншого
устаткування в майстерні є основною умовою організації безпечної роботи.
При розміщенні устаткування, яке використовується робітником для
модифікації інструментів необхідно додержувати встановлених мінімальних
розривів між верстаками або верстатами і окремими елементами будівлі,
правильно визначити ширину проходів і проїздів.
Верстати для напилення та інше устаткування в майстерні розміщується
так, що відстань між ними є достатньою для вільного проходу працюючих.
Ширина проходів не менше бути 1 м.
Відстань між верстаками при поперечному розташуванні їх до проїзду (у
спину працюючих) дорівнює 0,9м, а в місцях попарного розташування
(обличчям до обличчя працюючих) — 1,6м.
Для перевезення вантажів (великих партій інструментів чи іншого
обладнання) автомобілями, встановлений проїзд завширшки 3,5м.
Захаращувати проходи і проїзди, а також робочі місця різними предметами
забороняється. Проходи і проїзди необхідно тримати в чистоті і порядку, їх
границі зазвичай відмічають білою фарбою або світлими металевими
кнопками.
Ширина робочої зони приймається не менше 0,8м. Робоче місце, як було
вказано вище, організовується відповідно до характеру виконуваної роботи.
91
Від того, наскільки правильно і раціонально буде організоване робоче місце
оператора, залежить безпечність і продуктивність праці. Відсутність на
робочому місці зручного допоміжного обладнання або нераціональне його
розміщення, захаращеність робочого місця створюють умови для виникнення
травматизму.
На тих частинах механізмів, верстатів які можуть бути небезпечними
для працюючого, повинні бути вивішені запобіжні написи.
4.3 Заходи безпеки під час роботи устаткування
При експлуатації устаткування цеху, обладнання для знежирення,
промивки, просушки та легування матеріалів можливі порушення
нормального режиму роботи: перевантаження механізмів, різке підвищення
тиску, порушення герметичності, руйнування окремих деталей (наприклад,
шліфувальних кругів) і т. ін., тому в машинах і механізмах повинні
передбачатися спеціальні запобіжні та захисні пристрої, що попереджають
або виключають аварії та поломки.
Захисні та запобіжні пристрої виготовляють, зазвичай у вигляді
жорстких кришок, кожухів, щитків або сіток, органічно з’єднаних з
основними частинами машини в єдину конструкцію.
У сучасних верстатах, пресах і в іншому устаткуванні всі рухомі і
обертові частини розміщують всередині станин, корпусів і коробок, що
знижує до мінімуму або ж усуває зовсім необхідність встановлювати будь-які
додаткові заслонки.
Для проміжних ланок машин (пасових передач, муфт і ін.) застосовують
стаціонарні або пересувні суцільні сітчасті або гратчасті загородки.
4.4 Заходи щодо запобігання небезпеки ураження електричним
струмом
Виходячи з необхідних заходів техніки безпеки, всі електротехнічні
установки та верстати поділяють на дві групи: верстати та обладнання з
номінальною напругою до 1000В і вище 1000В.
92
Основна маса устаткування в цехах машинобудівних заводів живиться
струмом напругою 380/220В і належать до установок першої групи.
Повітряні і кабельні лінії, що живлять підприємства електричною
енергією, як правило, високовольтні, з стандартною напругою З, 6, 12, 35,
120кВ і вище. Крім транспортних підстанцій і розподільних щитків, напругу
понад 1000В мають високочастотні установки промислової електротермії,
електрофарбувальні установки», установки очищення повітря від пилу та ін.
Для безпечності обслуговування електричних установок велике
значення має навколишнє виробниче середовище. Як уже відмічалося, висока
температура, вологість, пил, їдкі гази і пара шкідливо впливають на організм
людини. Ці ж фактори руйнуюче впливають і на електроізоляцію, на одяг і
взуття робітників, спричинюють виникнення електроуражень, збоїв та аварій.
На підприємствах машинобудівної промисловості механічні, слюсарні і
складальні цехи відносять до категорії приміщень з підвищеною небезпекою,
а ливарні, ковальські, гальванічні та термічні цехи — до особливо
небезпечних.
Приміщеннями, небезпечними у пожежному відношенні, вважаються
такі, в яких обробляються або зберігаються легкозаймисті предмети і в яких
за умовами виробництва можуть міститися легкозаймисті гази, пара, пил або
волокна.
До вибухонебезпечних відносять приміщення, в яких виготовляють,
обробляють або зберігають вибухові речовини або в яких можуть з’явитися
пара і пил, що утворюють вибухові суміші.
Щоб виключити можливість безпосереднього стикання працівника зі
струмопровідними елементами, їх старанно ізолюють, захищають кожухами,
щитами або розміщують на недоступній висоті.
Найважливішими заходами, що сприяють зменшенню небезпеки
ураження робітника електричним струмом, є застосування струму зниженої
напруги. Цей захід особливо важливий для працюючих у приміщеннях, які
мають підвищену або особливу електричну небезпеку.
93
Відповідно до правил техніки безпеки знижена напруга, тобто напруга
до 36В, повинна застосовуватися для живлення ручного і переносного
електроінструменту, для ламп місцевого освітлення біля верстаків, верстатів
та ін. Напруга ручних переносних електричних ламп, що застосовуються в
приміщеннях з підвищеним рівнем небезпеки, повинна бути не вищою 36В, а
в приміщеннях особливо небезпечних і поза приміщеннями — не вище 12В.
4.5 Освітлення виробничих приміщень
Організація раціонального освітлення виробничих приміщень і робочих
місць є одним з головних питань охорони праці.
При якісному освітленні знижується рівень напруження очей,
прискорюється темп роботи. Світло збуджує діяльність усього організму, а
темнота його пригнічує.
Існують два види освітлення: природне і штучне.
Роль природного освітлення в забезпеченні сприятливих умов праці на
виробництві дуже велика. За рахунок денного світла в приміщеннях можна
добиватися високого рівня освітленості на робочих місцях; природне світло
найбільш звичне людському оку.
Для штучного освітлення використовують кілька видів джерел світла.
Основними з них е лампи розжарювання, люмінесцентні лампи, спеціальні
лампи з підвищеною світловою віддачею (наприклад, ртутні високого і
надвисокого тиску), електричні дуги. Тепер штучне освітлення нормується
санітарними нормами проектування промислових підприємств.
4.6 Вплив метеорологічних умов на самопочуття і працездатність
робітників задіяних на виробництві
Роботи провадяться при найрізноманітніших температурах повітря,
різних його вологості і атмосферних тисках, а також в умовах різного впливу
випромінювання від нагрітого устаткування і оброблюваних матеріалів,
інструментів та деталей. Всі ці умови зовнішнього середовища в сукупності
прийнято називати метеорологічними умовами.
94
Метеорологічні умови дуже впливають на самопочуття і працездатність
робітника.
Для забезпечення нормальних умов роботи у виробничих приміщеннях
встановлені норми метеорологічних умов, які включені в санітарні норми
проектування промислових підприємств. Норми враховують сезони року,
характер виробничого приміщення і ступінь важкості виконуваної роботи.
Так, для приміщень з незначним надлишком тепла рекомендуються такі
температури повітря:
18—20°С — при виконанні легких робіт;
16—18°С — для робіт середньої важкості;
14—16°С — для важких робіт.
До заходів спрямованих на боротьбу з перегріванням організму
відносяться: механізація важких робіт; захист від джерел випромінювання;
видалення надлишкових тепловиділень за допомогою вентиляції;
профілактика порушень водно-сольового обміну і інших наслідків
перегрівання організму. Для відновлення водно-сольового балансу організму
робітники гарячих цехів забезпечуються газованою водою, що містить до
0,5% кухонної солі.
Щоб запобігти опікам, робітники під час роботи з гарячими і
розжареними предметами повинні користуватися теплозахисним спецодягом
і захисними окулярами зі світлофільтрами, що підбираються залежно від
температури нагріву тіла.
Щоб запобігти надмірному охолодженню робочих приміщень,
застосовують вентиляцію з подачею теплого повітря, створюють тамбури і
повітряні теплові завіси, що перешкоджають надходженню в приміщення
холодних мас повітря взимку під час відкривання дверей і воріт.

95
ВИСНОВКИ
У кваліфікаційній роботі магістра вирішена актуальна науково-технічна
задача, яка полягає у підвищенні ріжучих властивостей твердосплавного
інструменту на основі комплексного модифікування його поверхні
електронно-променевим легуванням сплавом NbHfTi і нанесенням
зносостійкого покриття (TiAl) N і у визначенні взаємозв'язку між керуючими
чинниками процесу мікролегування поверхні, твердосплавного інструменту в
складі комплексної поверхневої обробки та його ріжучих властивостей, що
дозволили створити новий технологічний процес, який має важливе значення
для інструментального виробництва.
2. Суміщення імпульсного електронно-променевої переплавки поверхні
твердих сплавів ВК8 і Н13А з магнетронним напиленням сплаву Nb70Hf22Ti8 і
подальшого нанесення покриття (TiAl) N здатне створити композиційний
інструментальний матеріал з градієнтним переходом від карбідної основи до
покриття, що до двох разів подовжує ресурс роботи такого інструменту в
порівнянні з традиційним інструментом зі зносостійким покриттям.
3. На підставі встановлених зв'язків побудована математична модель, що
описує залежність зносостійкості ріжучого краю пластини за величиною
зміни розміру обробленої деталі від основних чинників процесу
мікролегування поверхні зразків твердого сплаву, що дозволяє
сформулювати технологічні рекомендації.
4. Приріст стійкості СМП Н13А при різанні жароміцного сплаву ЕІ968
після комплексної поверхневої обробки за критерієм сил різання склав до
100% в порівнянні з пластинами без обробки і до 75% в порівнянні з
пластинами тільки зі зносостійким покриттям. Збільшення стійкості за
критерієм величини зносу по задній поверхні склало близько 400-500%
порівняно з пластинами без обробки і до 40% в порівнянні з пластинами
тільки зі зносостійким покриттям. Спостерігається зсув зони зношування і
вершини різця і зменшення радіусу заокруглення різального краю ρ після
приробітки різця.
96
5. Свердління синтеграна спіральними свердлами з описуваними вище
властивостями, показує що, використання твердосплавних свердел тільки з
покриттям (TiAl) N збільшує стійкість свердел в 1.5 - 2 рази, в той час як
свердла з комплексною обробкою збільшують стійкість в 3 - 4 рази при
свердлінні без використання МОР.
6. Отримані результати та рекомендації можуть бути використані при
створенні перспективних твердосплавних ріжучих інструментів.

97
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Андреєв А. А., Саблєв Л. П., Григор’єв С. М. Вакуумно-дугові
покриття. Харків : ННЦ ХФТІ, 2010. 317 с.
2. Майборода В. С., Джулій Д. Ю., Слободянюк І. В., Гаврушкевич
Н. В. Інструментальні матеріали для виготовлення різального інструменту
: навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 112 с.
3. Булига Ю. В., Слабкий А. В. Основи інструментального
виробництва : навч. посіб. Вінниця : ВНТУ, 2018. 172 с.
4. Новомлинець О. О. Інженерія поверхні : методичні вказівки до
виконання лабораторних робіт. Чернігів : НУ "Чернігівська політехніка",
2024. 68 с.
5. Пономаренко В. О. Електронно-променеве спікання твердих
сплавів : магістерська дис. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. 96 с.
6. Черненко В. М. Покращення якості поверхні твердосплавних
пластин : магістерська дис. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 88 с.
7. Маловaний В. В. Захисні покриття та способи їх отримання :
магістерська дис. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 89 с.
8. Сиров О. В. Електронно-променеве наплавлення та особливості
формування покриттів : дипломний проєкт. Київ : КПІ ім. Ігоря
Сікорського, 2022. 76 с.
9. Грищук О. Я. Основи теплових процесів у зварюванні : підручник.
Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 156 с.
10. Хоменко О. О., Похмурський В. І. Фізика зварювання : навч.
посіб. Львів : Видавництво Львівської політехніки, 2011. 252 с.
98
11. Gabe D. R. Introduction to Surface Engineering. Cambridge : The
Institute of Materials, 1994. 208 p.
12. Burakowski T., Wierzchon T. Surface Engineering of Metals:
Principles, Equipment, Technologies. Boca Raton : CRC Press, 1999. 592 p.
13. ASM Handbook. Vol. 5: Surface Engineering. Materials Park, OH :
ASM International, 1994. 1328 p.
14. Trent E. M., Wright P. K. Metal Cutting. 4th ed. Oxford :
Butterworth-Heinemann, 2000. 446 p.
15. Sandvik Coromant. Modern Metal Cutting: A Practical Handbook.
Sandviken : Sandvik Coromant, 1996. 550 p.
16. Tool and Manufacturing Engineers Handbook. Vol. 1: Machining. 4th
ed. Dearborn, MI : Society of Manufacturing Engineers, 1983. 900 p.
17. Mari D., Sarin V. K., Llanes L., Nebel C. E. Comprehensive Hard
Materials. Amsterdam : Elsevier, 2014. 3 vols.
18. Upadhyaya G. S. Cemented Tungsten Carbides: Production,
Properties and Testing. Park Ridge, NJ : Noyes Publications, 1998. 420 p.
19. Exner H. E. Physical and Chemical Nature of Cemented Carbides.
International Metals Reviews. 1979. Vol. 24, No. 1. P. 149-173.
20. Lassner E., Schubert W.-D. Tungsten: Properties, Chemistry,
Technology of the Element, Alloys, and Chemical Compounds. New York :
Kluwer Academic/Plenum, 1999. 422 p.
21. Prakash L. J. Application of Fine-Grained Tungsten Carbide Based
Cemented Carbides. International Journal of Refractory Metals and Hard
Materials. 1995. Vol. 13, No. 4. P. 257-264.
99
22. García J., Collado Ciprés V., Blomqvist A., Kaplan B. Cemented
Carbide Microstructures: A Review. International Journal of Refractory Metals
and Hard Materials. 2019. Vol. 80. P. 40-68.
23. Sandvik Hard Materials. Understanding Cemented Carbide.
Stockholm : Sandvik Hard Materials, 2012. 40 p.
24. Schintlmeister W., Wallgram W., Kanz J., Gigl K. Cutting Tool
Materials Coated by Chemical Vapour Deposition. Wear. 1984. Vol. 100. P.
153-169.
25. Prengel H. G., Jindal P. C., Wendt K. H., Santhanam A. T., Hegde P.
L., Penich R. M. A New Class of High Performance PVD Coatings for Carbide
Cutting Tools. Surface and Coatings Technology. 2001. Vol. 139. P. 25-34.
26. Sun Y., Bloyce A., Bell T. Finite Element Analysis of Plastic
Deformation of Various TiN Coating/Substrate Systems under Normal Contact
with a Rigid Sphere. Thin Solid Films. 1995. Vol. 271. P. 122-131.
27. Schonjahn S., Donohue L. A., Lewis D. B., Munz W.-D., Twesten R.
D., Petrov I. Enhanced Adhesion through Local Epitaxy of Transition-Metal
Nitride Coatings on Ferritic Steel Promoted by Metal Ion Etching in a
Combined Cathodic Arc/Unbalanced Magnetron Deposition System. Journal of
Vacuum Science and Technology A. 2000. Vol. 18, No. 4. P. 1718-1723.
28. Perry A. J., Geist D. E., Rafaja D. Residual Stress in Cemented
Carbide Following a Coating Process and after an Ion Implantation Post-
Treatment of the Coating. Surface and Coatings Technology. 1998. Vols. 108-
109. P. 225-229.
29. Dearnley P. A. Rake and Flank Wear Mechanisms of Coated
Cemented Carbides. Surface Engineering. 1985. Vol. 1, No. 1. P. 43-58.
100
30. Dearnley P. A., Thompson V. Evaluation of Failure Mechanisms of
Ceramics and Coated Carbides Used for Machining Stainless Steels. Surface
Engineering. 1986. Vol. 2, No. 3. P. 191-202.
31. Cho S.-S., Komvopoulos K. Wear Mechanisms of Multi-Layer Coated
Cemented Carbide Cutting Tools. Journal of Tribology. 1997. Vol. 119, No. 1.
P. 8-17.
32. Dearnley P. A., Schellewald M., Dahm K. L. Characterisation and
Wear Response of Metal-Boride Coated WC-Co. Wear. 2005. Vol. 259. P.
861-869.
33. Arifin A., et al. Surface Engineering for Cutting Tools. In:
Introduction to Surface Engineering. Cambridge : Cambridge University Press,
2017. P. 261-299.
34. Ferris S. D., Leamy H. J., Poate J. M. Laser-Solid Interactions and
Laser Processing. New York : American Institute of Physics, 1979. 428 p.
35. White C. W., Peercy P. S. Laser and Electron-Beam Processing of
Materials. New York : Academic Press, 1980. 692 p.
36. Gibbons J. F., Hess L. D., Sigmon T. W. Laser and Electron-Beam
Solid Interactions and Materials Processing. New York : North-Holland, 1981.
764 p.
37. Poate J. M., Mayer J. W. Laser Annealing of Semiconductors. New
York : Academic Press, 1982. 457 p.
38. Use of Mathematical Modelling in Electron Beam Processing. Vienna
: IAEA, 2010. 174 p.
39. Nesterenkov V. M., et al. Electron Beam Technologies of Welding,
Surfacing and Additive Manufacturing. The Paton Welding Journal. 2018. No.
12. P. 45-53.
101
40. Nesterenkov V. M., et al. Technology and Equipment for Electron
Beam Additive Manufacturing. The Paton Welding Journal. 2023. No. 8. P. 53-
60.
41. Hlushak S. O., et al. Evolution of Electron Beam Hardware for
Additive Manufacturing. The Paton Welding Journal. 2023. No. 8. P. 66-72.
42. Yoshiwara S., Kawanami T. Method for Surface-Alloying Metal with
a High-Density Energy Beam and an Alloy Metal. US Patent 4750947. 1988.
43. Ozur G. E., Proskurovsky D. I., Rotshtein V. P., Markov A. B.
Production and Application of Low-Energy, High-Current Electron Beams.
Laser and Particle Beams. 2003. Vol. 21, No. 2. P. 157-174.
44. Proskurovsky D. I., Rotshtein V. P., Ozur G. E., Ivanov Yu. F.,
Markov A. B. Physical Foundations for Surface Treatment of Materials with
Low-Energy, High-Current Electron Beams. Surface and Coatings Technology.
2000. Vol. 125. P. 49-56.
45. Park H. W., Yang S. M., Choe J. H., Kim J. Improvement of Tool Life
via Unique Surface Modification of a Tungsten Carbide Tool Using a Large
Pulsed Electron Beam in Ti-6Al-4V Machining. Journal of Manufacturing
Processes. 2022. Vol. 83. P. 223-234.
46. Surface Microstructure Evolution Mechanism of WC-Co Hard Alloy
Treated by High Current Pulsed Electron Beam. Results in Physics. 2022. Vol.
37. 105540.
47. Peng W., et al. Fibrous Nano Composite Reinforced Surface on WC-
Co Cemented Carbide Achieved by Pulsed Electron Beam Irradiation and
Subsequent Tempering. E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 267. 01078.
48. Formation of WC-Co Layers by an Electron Beam Cladding Method
and Evaluation of the Layer Properties. Vacuum. 2000. Vol. 59. P. 736-744.
102
49. Akao T., Shinonaga T., Doi T. Surface Modification of Cold-Working
Die Steel by Electron Beam Irradiation: Formation of Cemented Carbide
Composite Layer. Procedia Engineering. 2014. Vol. 81. P. 1811-1816.
50. Arroyo Osorio J. M., Diniz A. E., de Lima M. S. F. Cemented Carbide
Surface Modifications Using Laser Treatment and Their Effects on Hard
Coating Adhesion. Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204, No. 15.
P. 2410-2416.
51. Bader M., Spies H.-J., Hock K., Broszeit E., Schroder H.-J. Properties
of Duplex Treated (Gas-Nitriding and PVD-TiN, Cr2N) Low Alloy Steel.
Surface and Coatings Technology. 1998. Vol. 98. P. 891-896.
52. Haubner R. Evolution of Conventional Hard Coatings for Their Use
on Cutting Tools. International Journal of Refractory Metals and Hard
Materials. 2017. Vol. 62. P. 210-218.
53. Mechanical Impact Test Methods for Hard Coatings of Cutting Tools:
A Review. Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 303. P. 546-559.
54. Dearnley P. A. New Technique for Determining Temperature
Distribution in Cemented Carbide Cutting Tools. Metals Technology. 1983.
Vol. 10. P. 205-214.
55. Matthews A., Leyland A. Developments in PVD and CVD Hard
Coatings for Cutting Tools. In: Surface Modification Technologies.
Warrendale, PA : TMS, 1994. P. 3-18.
56. Rizzo A., et al. The Critical Raw Materials in Cutting Tools for
Machining Applications: A Review. Materials. 2020. Vol. 13, No. 6. 1377.
57. Llanes L., Ferrari C., Reig B., Coureaux D., Schneider L. Mechanics
and Mechanisms of Fatigue in a WC-Ni Hardmetal and a Comparative Study
103
with Respect to WC-Co Hardmetals. International Journal of Fatigue. 2015.
Vol. 70. P. 252-257.
58. Linder D., Holmstrom E., Norgren S. High Entropy Alloy Binders in
Gradient Sintered Hardmetal. International Journal of Refractory Metals and
Hard Materials. 2018. Vol. 71. P. 217-220.
59. Tsai D.-C., Chang Z.-C., Kuo L.-Y., Lin T.-J., Lin T.-N., Shiao M.-H.,
Shieu F.-S. Oxidation Resistance and Structural Evolution of (TiVCrZrHf)N
Coatings. Thin Solid Films. 2013. Vol. 544. P. 580-587.
60. Understanding Cemented Carbide: The Designer’s Guide to Tungsten
Carbide. Hartmetall Technik, 2013. 64 p.
61. ISO 513:2012. Classification and Application of Hard Cutting
Materials for Metal Removal with Defined Cutting Edges - Designation of the
Main Groups and Groups of Application.
62. ISO 3685:1993. Tool-Life Testing with Single-Point Turning Tools.
63. ISO 1832:2017. Indexable Inserts for Cutting Tools - Designation.
64. ISO 4505:1978. Hardmetals - Metallographic Determination of
Porosity, Carbon Defects and Eta-Phase.
65. ISO 4499-1:2008. Hardmetals - Metallographic Determination of
Microstructure - Part 1: Photomicrographs and Description.
66. ISO 3326:1975. Hardmetals - Determination of Transverse Rupture
Strength.
67. ISO 3878:1983. Hardmetals - Vickers Hardness Test.
68. ISO 28079:2009. Hardmetals - Palmqvist Toughness Test.
104
69. ДСТУ 8302:2015. Бібліографічне посилання. Загальні положення
та правила складання.
70. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері
науки і техніки. Структура та правила оформлення.
71. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за
спеціальністю 131 - «Прикладна механіка», освітні програми «Технології
машинобудування» та «Обробка металів за спецтехнологіями» усіх форм
навчання [Електроне видання] / Уклад.: Г.В. Канашевич, О.О.
Коваленко, Є.В. Хижняк; М-во освіти і науки України, Черкас. технол.
ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2023

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets