RU2567019C1 - Method of forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools - Google Patents
Method of forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools Download PDFInfo
- Publication number
- RU2567019C1 RU2567019C1 RU2014123069/28A RU2014123069A RU2567019C1 RU 2567019 C1 RU2567019 C1 RU 2567019C1 RU 2014123069/28 A RU2014123069/28 A RU 2014123069/28A RU 2014123069 A RU2014123069 A RU 2014123069A RU 2567019 C1 RU2567019 C1 RU 2567019C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbide
- wear resistance
- cutting
- oxygen
- cutting tools
- Prior art date
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 133
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 78
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 78
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 65
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 93
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 93
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 91
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 33
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 21
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 21
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 20
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 17
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 17
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 16
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 16
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 14
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 12
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 12
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 12
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 12
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 11
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 10
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 10
- 239000000047 product Substances 0.000 description 9
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 9
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 8
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 5
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 5
- -1 tungsten carbides Chemical class 0.000 description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 238000004137 mechanical activation Methods 0.000 description 3
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 239000002156 adsorbate Substances 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 150000001728 carbonyl compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 2
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YWJQGSHYTRHJJH-UHFFFAOYSA-N [Co].[Ti].[W] Chemical compound [Co].[Ti].[W] YWJQGSHYTRHJJH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical class [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000009878 intermolecular interaction Effects 0.000 description 1
- 230000000366 juvenile effect Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- VVRQVWSVLMGPRN-UHFFFAOYSA-N oxotungsten Chemical class [W]=O VVRQVWSVLMGPRN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 1
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 1
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 238000005092 sublimation method Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000007725 thermal activation Methods 0.000 description 1
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для прогнозирования - контроля износостойкости твердосплавных режущих инструментов при их изготовлении, использовании или сертификации.The invention relates to the field of metal cutting and can be used to predict - control the wear resistance of carbide cutting tools in their manufacture, use or certification.
Известен способ определения износостойкости твердых сплавов, заключающийся в том, что испытуемый материал помещают в переменное магнитное поле с напряженностью порядка 5 эрстед, измеряют магнитную проницаемость материала и по градировочному графику «магнитная проницаемость - стойкость», построенному для эталонного образца, определяют величину износостойкости материала [SU 268720 A1, МПК 6 G01N 3/58, БИ №14, 1970].A known method for determining the wear resistance of hard alloys is that the test material is placed in an alternating magnetic field with an intensity of about 5 Oersted, the magnetic permeability of the material is measured, and the magnitude of the material’s wear resistance is determined from the magnetic permeability - resistance graph plotted for the reference sample [ SU 268720 A1, IPC 6 G01N 3/58, BI No. 14, 1970].
Одним из недостатков известного способа является то, что при измерении не учитывается влияние массы и размагничивающего фактора изделий, имеющих часто различные формы и габаритные размеры, которые влияют на величину магнитной проницаемости. Последнее приводит к снижению точности измерений. Кроме того, эксплуатационная характеристика - износостойкость контролируется данным способом посредством оценки физического состояния с помощью относительной магнитной проницаемости только в одной из компонент твердого сплава - кобальтовой связке. Это происходит потому, что карбид вольфрама - парамагнетик и вклад его от намагниченности в общую относительную магнитную проницаемость небольшой. Поэтому, с помощью данного способа производится, по существу, оценка относительной магнитной проницаемости кобальта, его количество и деформационное состояние. При этом совершенно не учитываются другие свойства поверхности и объема твердого сплава, в том числе, когезионное и адгезионное состояние на границах фаз и в объеме компонентов твердого сплава и т.д. Вследствие рассмотренных причин этот способ отличается низкой точностью при оценке износостойкости твердых сплавов.One of the disadvantages of the known method is that the measurement does not take into account the influence of the mass and demagnetizing factor of products, which often have different shapes and dimensions, which affect the value of magnetic permeability. The latter leads to a decrease in measurement accuracy. In addition, the operational characteristic - wear resistance is controlled by this method by assessing the physical condition using relative magnetic permeability in only one of the components of the hard alloy - cobalt bond. This is because tungsten carbide is a paramagnet and its contribution from magnetization to the total relative magnetic permeability is small. Therefore, using this method, essentially, the relative magnetic permeability of cobalt, its quantity and deformation state are evaluated. Moreover, other properties of the surface and volume of the hard alloy are not taken into account at all, including the cohesive and adhesive state at the phase boundaries and in the volume of the components of the hard alloy, etc. Due to the reasons considered, this method is characterized by low accuracy in assessing the wear resistance of hard alloys.
Известен способ контроля режущих свойств партии твердосплавных инструментов, в соответствии с которым, сначала воздействуют на каждый инструмент (твердосплавную пластину) из партии. Затем, по измеренному параметру контроля и по результатам износа отобранного инструмента определяют режущие свойства всей партии инструментов. В качестве воздействия используют равномерно распределенный импульсный нагрев. При этом регистрируют хронологическую термограмму облученного световым потоком инструмента и по ней определяют коэффициент температуропроводности, который используют в качестве параметра контроля, характеризующего режущие свойства. [SU 1651155 A1, МПК 5 G01N 3/58, БИ №19, 1991]. Выбранным исходным параметром в данном способе является величина температурной проводимости. Основным недостатком данного способа является то, что очень трудно, более или менее точно, определить скорость распространения тепла в материалах, в которых носителями тепла являются свободные электроны. Твердые сплавы являются такими материалами, и теплопередача у них обеспечивается за счет движения электронов. Температурная проводимость всех твердых сплавов отличается на незначительную величину. Вследствие этого при контроле очень сложно определить флуктуации температурной проводимости (изменяющие износостойкость) для одной конкретной марки твердого сплава (они практически незаметны). Кроме того, измерение температурной проводимости сопряжено с большими техническими трудностями. Качественное обеспечение действий проверки, в этой ситуации, надежными - воздействующими, регистрирующими и вспомогательными приборами и устройствами, гарантирующими высокую точность измерений, повлечет за собой значительное повышение себестоимости контрольных операций. Вследствие этого данный способ контроля является малоперспективным для использования, как в лабораторных, так и в производственных условиях.A known method of controlling the cutting properties of a batch of carbide tools, in accordance with which, first they act on each tool (carbide plate) from the batch. Then, according to the measured control parameter and the results of wear of the selected tool, the cutting properties of the entire batch of tools are determined. As an effect, uniformly distributed pulsed heating is used. In this case, a chronological thermogram of the instrument irradiated with the light flux is recorded and the thermal diffusivity coefficient is determined from it, which is used as a control parameter characterizing the cutting properties. [SU 1651155 A1, IPC 5 G01N 3/58, BI No. 19, 1991]. The selected initial parameter in this method is the value of thermal conductivity. The main disadvantage of this method is that it is very difficult, more or less accurately, to determine the rate of heat propagation in materials in which free electrons are the heat carriers. Hard alloys are such materials, and their heat transfer is ensured by the movement of electrons. The thermal conductivity of all hard alloys differs by a small amount. As a result of this, it is very difficult to determine the fluctuations of thermal conductivity (changing wear resistance) for one particular grade of hard alloy (they are almost invisible) during control. In addition, the measurement of thermal conductivity is associated with great technical difficulties. High-quality provision of verification actions, in this situation, reliable - acting, recording and auxiliary instruments and devices that guarantee high accuracy of measurements, will entail a significant increase in the cost of control operations. As a result, this control method is unpromising for use in both laboratory and production conditions.
Известен способ прогнозирования износостойкости режущего инструмента, выбранный в качестве прототипа и заключающийся в следующем. Сначала проводят эталонные испытания режущих инструментов при оптимальной или близкой к ней скорости резания. Затем проводят испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной полиоксидной структуры твердого сплава, сформированной в процессе его нагревания, строят эталонную корреляционную зависимость "исходный параметр - износостойкость" и выполняют статистический контроль только величины исходного параметра для текущей партии твердосплавных режущих инструментов. После этого прогнозируют износостойкость для текущей партии инструментов на основании зависимости:A known method for predicting the wear resistance of a cutting tool, selected as a prototype and consisting in the following. First, benchmarks of cutting tools are carried out at an optimal or close cutting speed. Then, tests are carried out to change the value of the initial parameter from the properties of the surface polyoxide structure of the hard alloy formed during its heating, build the reference correlation dependence "initial parameter - wear resistance" and perform statistical control only of the value of the initial parameter for the current batch of carbide cutting tools. After that, wear resistance is predicted for the current batch of tools based on the relationship:
где Т(текущее), мин - износостойкость в минутах - среднее прогнозируемое время безаварийной работы твердосплавных режущих инструментов, подвергающихся испытаниям, из текущей партии образцов;where T (current), min - wear resistance in minutes - the average predicted time of trouble-free operation of carbide cutting tools undergoing tests from the current batch of samples;
Т(эталонное), мин. - средняя износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;T (reference), min. - average wear resistance in minutes for carbide cutting tools from a reference batch of carbide products;
Т(эталонное), пс. - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии твердосплавной продукции;T (reference), ps. - the average value of the selected initial parameter obtained by measuring the characteristics of the surface polyoxide structure of carbide cutting tools from a reference batch of carbide products;
Т (текущее), пс. - средняя величина выбранного исходного параметра, полученная при измерении характеристики поверхностной полиоксидной структуры у твердосплавных режущих инструментов из текущей - контролируемой партии. В качестве исходного параметра при этом используют величину времени жизни позитронов, внедренных в поверхность и приповерхностные слои твердых сплавов и производящих оценку электронной плотности их структуры. По величине электронной плотности прогнозируют износостойкость изготовленных режущих инструментов. [SU 2251095 C1, МПК 7 G01N 3/58, БИ №12, 2005]. Основным недостатком данного способа является высокая организационная сложность в его осуществлении. Для реализации этого способа необходим радиоактивный источник. В соответствии с нормами для его обслуживания существуют высокие требования. Необходимо иметь специальное помещение для его хранения. Измерение соответствующих параметров и обработку полученных результатов могут производить только специально подготовленный и обученный персонал. С помощью данного способа производится оценка структуры на атомном уровне и не всегда сопоставление данных результатов с результатами получаемые по износостойкости приводит к точному прогнозу. Данный способ позволяет производить разбраковку - прогнозировать износостойкость твердых сплавов близких по виду и степени дефектности структуры. Сравнение структур сильно различающихся по виду и степени дефектности дает достаточно заметные погрешности в прогнозе износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Вследствие этого данный способ прогнозирования износостойкости не совсем точно характеризует эксплуатационные свойства, предопределяемые степенью дефектности структуры, что в итоге снижает степень тесноты корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих инструментов. Тем не менее, данный способ контроля информативно отражает эксплуатационное состояние поверхностной структуры инструментального материала, что важно для установления связи между данной характеристикой и диффузионным износом, в большой степени зависящим от прочности химических связей между элементами, входящими в состав структуры твердых сплавов и, мы выбираем его в качестве прототипа.T (current), ps. - the average value of the selected initial parameter obtained by measuring the characteristics of the surface polyoxide structure of carbide cutting tools from the current - controlled batch. In this case, the value of the positron lifetime embedded in the surface and near-surface layers of hard alloys and estimating the electron density of their structure is used as the initial parameter. The magnitude of the electron density predict the wear resistance of manufactured cutting tools. [SU 2251095 C1, IPC 7 G01N 3/58, BI No. 12, 2005]. The main disadvantage of this method is the high organizational complexity in its implementation. To implement this method, a radioactive source is required. In accordance with the standards for its maintenance, there are high requirements. It is necessary to have a special room for its storage. The measurement of the relevant parameters and the processing of the results obtained can only be done by specially trained and trained personnel. Using this method, the structure is assessed at the atomic level and not always comparing these results with the results obtained by wear resistance leads to an accurate forecast. This method allows you to sort - to predict the wear resistance of hard alloys similar in appearance and degree of defective structure. A comparison of structures that differ greatly in appearance and degree of defectiveness gives quite noticeable errors in predicting the wear resistance of carbide cutting tools. As a result of this, this method for predicting wear resistance does not exactly characterize the operational properties determined by the degree of defective structure, which ultimately reduces the degree of tightness of the correlation between the initial parameter and the wear resistance of cutting tools. Nevertheless, this control method informatively reflects the operational state of the surface structure of the tool material, which is important for establishing a relationship between this characteristic and diffusion wear, which to a large extent depends on the strength of chemical bonds between the elements that make up the structure of hard alloys and, we select it as a prototype.
Задачей предлагаемого способа - прогнозирования износостойкости твердосплавных вольфрам - титан - кобальтовых (группа Р) режущих инструментов является повышение точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Прогнозирование основано на тесной корреляционной зависимости между износостойкостью и концентрацией кислорода, содержащегося в поверхностной и приповерхностной структуре твердого сплава. С уменьшением концентрации кислорода в поверхностной и приповерхностной структуре твердых сплавах группы применяемости Р износостойкость, изготовленных из этих твердых сплавов режущих инструментов, при резании ими сталей и сплавов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, возрастает.The objective of the proposed method is predicting the wear resistance of carbide tungsten - titanium - cobalt (group P) cutting tools is to increase accuracy and reduce the complexity when predicting the wear resistance of carbide cutting tools. Prediction is based on a close correlation between wear resistance and the concentration of oxygen contained in the surface and near-surface structure of the hard alloy. With a decrease in the oxygen concentration in the surface and near-surface structure of hard alloys of the applicability group P, the wear resistance made from these hard alloys of cutting tools increases when they cut steels and alloys that cause intense diffusion wear.
Поставленная задача при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов (режущих пластин) группы применяемости Р, в предлагаемом способе решается путем использования выбранного исходного параметра и включает: проведение испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной и приповерхностной структуры, сформированной в процессе изготовления твердосплавного режущего материала, проведение эталонных испытаний режущих инструментов на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ при оптимальной или близкой к ней скорости резания, построение эталонной - корреляционной зависимости «износостойкость - исходный параметр», статистический контроль только величины исходного параметра у текущей (поступающей к потребителю) партии твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов на основании зависимости:The task in predicting the wear resistance of carbide cutting tools (cutting inserts) of the applicability group P, in the proposed method is solved by using the selected initial parameter and includes: testing for changing the value of the initial parameter from the properties of the surface and surface structures formed in the manufacturing process of carbide cutting material, conducting reference tests of cutting tools for wear resistance in the process of cutting materials, cause intensive diffusion wear at an optimum or close to cutting speed, construction of a reference - correlation dependence “wear resistance - initial parameter”, statistical control of only the value of the initial parameter for the current (incoming to the consumer) batch of carbide cutting tools, prediction of wear resistance for the current batch of carbide tools based on the dependency:
где aЭ и bЭ - постоянные коэффициенты:where a E and b E are constant coefficients:
из них:of them:
ТПТ - текущая износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов, подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;T PT - the current wear resistance in minutes for carbide cutting tools that have been tested, from the projected current batch of carbide products;
SПТ - текущее значение выбранного исходного параметра, полученное при контроле поверхностной и приповерхностной структуры твердосплавных режущих инструментов из текущей - прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;S PT - the current value of the selected initial parameter obtained by monitoring the surface and surface structures of carbide cutting tools from the current - predicted current batch of carbide products;
Тэ1 и Тэ2 - износостойкость в минутах для двух независимых выборок сменных твердосплавных режущих инструментов из эталонной (предыдущей) партии твердосплавной продукции;Te 1 and Te 2 - wear resistance in minutes for two independent samples of interchangeable carbide cutting tools from the reference (previous) batch of carbide products;
Sэ1 и Sэ2 - средние значения величин выбранного исходного параметра, полученные при контроле поверхностной и приповерхностной структуры для двух независимых выборок образцов твердосплавных режущих инструментов, из эталонной партии продукции, отличающийся тем, что с целью повышения точности прогнозирования износостойкости в качестве исходного параметра используют величину концентрации кислорода, содержащегося в поверхностной и в приповерхностной структуре твердого сплава, с уменьшением которой износостойкость твердосплавных режущих инструментов, группы применяемости Р, возрастает.Sе 1 and Sе 2 are the average values of the selected initial parameter obtained by monitoring the surface and surface structures for two independent samples of carbide cutting tools from a reference batch of products, characterized in that in order to improve the accuracy of prediction of wear resistance, the value is used as the initial parameter the concentration of oxygen contained in the surface and near-surface structure of the hard alloy, with a decrease in which the wear resistance of carbide cutting x tools applicability group R increases.
Поверхностная и приповерхностная структура твердосплавного режущего инструмента группы применяемости Р, формирующаяся в процессе изготовления твердого сплава, оказывает большое влияние на его износостойкость. Одной из основных характеристик поверхностной и приповерхностной структуры, определяющей важнейшие физико-механические и эксплуатационные свойства твердосплавных режущих инструментов данной группы, является ее способность аккумулировать высокую концентрацию газовых элементов. С одной стороны, с помощью различных способов контроля было установлено, что в состав поверхностной и приповерхностной структуры твердого сплава группы применяемости Р входит достаточно высокое содержание кислорода. С другой стороны известно, что износостойкость твердосплавных режущих инструментов, в значительной степени определяется составом и структурой поверхности и приповерхностной области. Вследствие этого предлагаемый способ прогнозирования износостойкости режущих инструментов по содержания кислорода в поверхностной и приповерхностной структуре твердых сплавов является достаточно обоснованным, надежным и точным.The surface and near-surface structure of the carbide cutting tool of the applicability group P, which is formed in the process of manufacturing a hard alloy, has a great influence on its wear resistance. One of the main characteristics of the surface and subsurface structure, which determines the most important physical, mechanical and operational properties of carbide cutting tools of this group, is its ability to accumulate a high concentration of gas elements. On the one hand, using various control methods, it was found that the composition of the surface and surface structures of the hard alloy of the usability group P includes a rather high oxygen content. On the other hand, it is known that the wear resistance of carbide cutting tools is largely determined by the composition and structure of the surface and the surface region. Because of this, the proposed method for predicting the wear resistance of cutting tools by the oxygen content in the surface and near-surface structure of hard alloys is quite reasonable, reliable and accurate.
Кислород оказывает большое влияние, как на формирование самой поверхностной и приповерхностной структуры твердого сплава, так и на процессы, развивающиеся в зонах взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов в процессе резания. Насыщение твердого сплава кислородом происходит, в основном, на этапе приготовления составляющих компонентов (металлических порошков) в процессе их восстановления из оксидной массы, на этапе последующего их измельчения с помощью размола в шаровой мельнице, а также при размолах порошков после насыщения их углеродом. Причем основная концентрация, аккумулируемого твердым сплавом группы применяемости Р кислорода, в итоге, накапливается на поверхности и в приповерхностных слоях структуры. В процессе измельчения молекулы кислорода вначале, адсорбируются наиболее активными в химическом отношении участками рельефа поверхности и приповерхностной области, размалываемых порошковых частиц. Затем, за счет диффузии, кислород проникает в более глубинные слои данных компонентов. С увеличением удельной поверхности измельчаемых частиц при размоле адсорбирующая способность их возрастает, а концентрация поверхностного кислорода возрастает.Oxygen has a great influence both on the formation of the surface and surface structures of the hard alloy, as well as on the processes developing in the zones of interaction of tool and work materials during the cutting process. The saturation of the alloy with oxygen occurs mainly at the stage of preparation of constituent components (metal powders) in the process of their reduction from the oxide mass, at the stage of their subsequent grinding by grinding in a ball mill, as well as during grinding of the powders after saturation with carbon. Moreover, the main concentration accumulated by the hard alloy of the oxygen applicability group P, as a result, accumulates on the surface and in the surface layers of the structure. In the process of grinding oxygen molecules at first, they are adsorbed by the most chemically active sections of the surface topography and the surface region, of the milled powder particles. Then, due to diffusion, oxygen penetrates into the deeper layers of these components. With increasing specific surface area of the crushed particles during grinding, their adsorption capacity increases, and the concentration of surface oxygen increases.
Исходными компонентами при получении карбидных частиц являются оксиды металлов и углерод. В процессе карбидизации не весь кислород вытесняется углеродом из кристаллических решеток оксидов титана и вольфрама. Вследствие этого в карбидных порошках титана, вольфрама и сложного карбида на основе титана и вольфрама всегда присутствует некоторая концентрация кислорода в виде оксикарбидов. Более того, вследствие последующего размола полученной карбидной компоненты, происходящего в условиях открытой атмосферы, происходит дополнительное насыщение ее кристаллической решетки кислородом.The starting components in the preparation of carbide particles are metal oxides and carbon. During carbidization, not all oxygen is displaced by carbon from the crystal lattices of titanium and tungsten oxides. As a result of this, a certain concentration of oxygen in the form of oxycarbides is always present in carbide powders of titanium, tungsten and complex carbide based on titanium and tungsten. Moreover, due to the subsequent grinding of the obtained carbide component, which occurs in an open atmosphere, there is an additional saturation of its crystal lattice with oxygen.
В процессе эксплуатации твердосплавных группы применяемости Р режущих инструментов проникновение в структуру твердых сплавов кислорода происходит в результате процессов его адсорбции карбидными зернами, кобальтовой прослойкой и межфазными границами. К субъектам поверхностной и приповерхностной структуры карбидных зерен и кобальтовых частиц, которые в первую очередь адсорбируют значительную концентрацию молекул кислорода из окружающей атмосферы, при эксплуатации твердосплавных режущих инструментов, относится пространство сообщающихся и закрытых пор, а также полости, образуемые системой коротких ветвящихся трещин. Наиболее высокая концентрация пор и трещин содержится в структуре карбидных зерен. Кобальтовая прослойка содержит в основном высокую концентрацию коротких ветвящихся трещин. Межфазные границы, одновременно, содержат высокую концентрацию пор и трещин. Причем в среде данных структурных дефектов содержится значительное количество пор и трещин с размерными параметрами, обеспечивающими их повышенную адсорбционную активность по отношению к газовым молекулам кислорода. Их концентрация зависит от конкретных особенностей получения компонентов твердых сплавов и их спекания.During the operation of the carbide group of applicability of P cutting tools, oxygen penetrates into the structure of hard alloys as a result of its adsorption by carbide grains, a cobalt interlayer and interphase boundaries. The subjects of the surface and near-surface structure of carbide grains and cobalt particles, which primarily adsorb a significant concentration of oxygen molecules from the surrounding atmosphere during the operation of carbide cutting tools, include the space of communicating and closed pores, as well as the cavities formed by a system of short branching cracks. The highest concentration of pores and cracks is contained in the structure of carbide grains. The cobalt layer contains mainly a high concentration of short branching cracks. Interphase boundaries, at the same time, contain a high concentration of pores and cracks. Moreover, the medium of these structural defects contains a significant number of pores and cracks with dimensional parameters that ensure their increased adsorption activity with respect to gas oxygen molecules. Their concentration depends on the specific features of obtaining components of hard alloys and their sintering.
При резании сталей и сплавов, вследствие указанных причин, возникает высокая вероятность формирования на поверхности карбидных частиц структур с различным содержанием кислорода. Оксикарбидные соединения, образующиеся на поверхности карбидных компонентов твердых сплавов, имеют высокий разброс термодинамической стабильности. Вследствие этого некоторая концентрация кислорода, вследствие разложения за счет термической и механической активации нестабильных формирований диффундирует в приповерхностные слои инструментальных композитов.When cutting steels and alloys, due to these reasons, there is a high probability of the formation of structures with different oxygen contents on the surface of carbide particles. Oxycarbide compounds formed on the surface of carbide components of hard alloys have a high dispersion of thermodynamic stability. As a result of this, a certain concentration of oxygen, due to decomposition due to thermal and mechanical activation of unstable formations, diffuses into the surface layers of instrumental composites.
Кислород, проникающий в твердые сплавы, на всех этапах изготовления компонентов и композита в целом, принимает активное участие в формировании пористой структуры. Взаимодействие кислорода с углеродом и с металлической компонентой при определенных условиях приводит к образованию, в том числе, карбонильных соединений, существующих при высоких температурах только в газообразном состоянии. При снижении температуры, вследствие завершения технологического процесса образования карбидов, из их структуры происходит выделение газовых соединений на основе кислорода, углерода и металлического элемента. Перемещение газовой атмосферы из глубинных слоев к поверхности сопровождается образованием развитой системы открытых и закрытых пор. Выделение газовых соединений стимулируется их высоким давлением во внутренней структуре твердых сплавов. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что при разложении газообразных карбонильных соединений, содержащихся внутри простых и сложных карбидов, и имеющих начальную высокую плотность, образуется значительный объем газа. Сформировавшаяся пористая структура является эффективной аккумулирующей емкостью, при последующем ее заполнении кислородом на этапе эксплуатации твердосплавных режущих инструментов.Oxygen penetrating hard alloys, at all stages of the manufacture of components and the composite as a whole, takes an active part in the formation of the porous structure. The interaction of oxygen with carbon and with a metal component under certain conditions leads to the formation, including carbonyl compounds, existing at high temperatures only in the gaseous state. With a decrease in temperature, due to the completion of the technological process of the formation of carbides, gas compounds based on oxygen, carbon and a metal element are released from their structure. The movement of the gas atmosphere from the deep layers to the surface is accompanied by the formation of a developed system of open and closed pores. The evolution of gas compounds is stimulated by their high pressure in the internal structure of hard alloys. This, in turn, is due to the fact that during the decomposition of gaseous carbonyl compounds contained inside simple and complex carbides and having an initial high density, a significant volume of gas is formed. The formed porous structure is an effective storage capacity, with its subsequent filling with oxygen at the stage of operation of carbide cutting tools.
Система трещин в структуре карбидных и кобальтовых частиц образуется на этапах их размола в шаровой мельнице. Данный процесс заканчивается также насыщением полостей, адсорбированным кислородом. Наиболее активными, в отношении адсорбции кислорода, являются внутренние полости и трещины, приобретающие наноразмерные параметры, сопоставимые с размерами адсорбируемых частиц. Вследствие высокого концентрационного градиента и беспрепятственного перемещения по наноразмерным каналам значительная часть адсорбированного поверхностью кислорода перемещается в приповерхностную структуру.A system of cracks in the structure of carbide and cobalt particles is formed at the stages of their grinding in a ball mill. This process also ends with the saturation of the cavities adsorbed by oxygen. The most active, with respect to oxygen adsorption, are internal cavities and cracks acquiring nanoscale parameters comparable with the sizes of adsorbed particles. Due to the high concentration gradient and unimpeded movement along nanoscale channels, a significant part of the oxygen adsorbed by the surface moves into the surface structure.
Адсорбирующая активность ювенильных поверхностей, формирующихся при измельчении - разрушении частиц в шаровой мельнице, зависит от концентрации активных центров, возникающих в плоскости сколов. Максимальная концентрация активных центров возникает в плоскости сколов кристаллической решетки с наиболее плотной упаковкой атомов. Разрушение карбидных и кобальтовых компонентов в плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов происходит, в каждом конкретном случае размола, при определенных режимах, характеризующихся применением определенных размеров размалывающих шаров, их размеров и скорости вращения барабана.The adsorbing activity of juvenile surfaces formed during grinding - destruction of particles in a ball mill depends on the concentration of active centers that arise in the plane of chips. The maximum concentration of active centers arises in the plane of cleaved crystal lattices with the densest packing of atoms. The destruction of carbide and cobalt components in the plane with the most dense packing of atoms occurs, in each case of grinding, under certain conditions, characterized by the use of certain sizes of grinding balls, their sizes and speed of rotation of the drum.
Молекулы кислорода, вследствие контакта с образующимися в результате разрушения поверхностями адсорбируются ими, как физическим способом - за счет небольших сил взаимодействия, так и химическим, заканчивающимся образованием значительно более прочных соединений между адсорбентом и адсорбатом. Физически адсорбированная молекула кислорода имеет возможность перемещения по поверхности и, при встрече с различными по активности центрами адсорбента, избирательно, образует наиболее устойчивую связь. Вместе с тем некоторая концентрация физически адсорбированных молекул подвергается десорбции с поверхности частиц. При химической адсорбции молекулы кислорода захватываются активными центрами поверхности частиц и диссоциируют на атомы. Одна часть атомов кислорода, в результате диссоциации молекул, взаимодействует с элементами поверхности адсорбента и образует химические соединения. Другая часть атомов может активно подвергаться диффузии в объемные слои частиц. Встреча атомов кислорода в глубинных слоях порошковых частиц с сильным активным центром заканчивается химической адсорбцией, а со слабым активным центром - физической адсорбцией. Поверхностный слой атомов кислорода, адсорбированный порошками, может быть, как сплошным, так и дискретным, химически стабильным и не стабильным. Это зависит от состава частиц, их удельной поверхности, энергетического состояния и др. Формирование на поверхности частиц оксидного слоя с той или иной степенью дискретности и стабильности зависит от концентрации и силы активных центров, образованных на порошковых компонентах и состава окружающей газовой среды. Наиболее стабильные кислородные соединения - сегрегации формируются вблизи сильных активных центров на поверхности частиц. При высокой концентрации активных центров на поверхности частиц кислородные сегрегации распространяются, объединяются, а затем и наслаиваются. В таком случае образуется сплошной оксидный покров, состоящий местами из нескольких атомных слоев. При низкой концентрации сильных активных центров на поверхности частиц, атомы и молекулы кислорода скапливаются вблизи сосредоточения нескольких активных центров и образуют соединения с атомами подложки без дальнейшего их распространения. В этом случае образуется дискретный поверхностный ландшафт оксидного адсорбата. Одновременно с адсорбцией поверхностью кислорода происходит его диффузия в приповерхностные слои структуры твердых сплавов.Oxygen molecules, due to contact with the surfaces formed as a result of destruction, are adsorbed by them, both physically — due to small interaction forces, and chemical, ending in the formation of much stronger compounds between the adsorbent and the adsorbate. A physically adsorbed oxygen molecule has the ability to move along the surface and, when it encounters adsorbent centers of different activity, selectively forms the most stable bond. At the same time, a certain concentration of physically adsorbed molecules undergoes desorption from the surface of the particles. During chemical adsorption, oxygen molecules are captured by the active centers of the particle surface and dissociate into atoms. One part of the oxygen atoms, as a result of the dissociation of molecules, interacts with the surface elements of the adsorbent and forms chemical compounds. Another part of the atoms can be actively diffused into bulk layers of particles. The encounter of oxygen atoms in the deep layers of powder particles with a strong active center ends with chemical adsorption, and with a weak active center - with physical adsorption. The surface layer of oxygen atoms adsorbed by powders can be either continuous or discrete, chemically stable, and unstable. It depends on the composition of the particles, their specific surface, energy state, etc. The formation of an oxide layer on the surface of the particles with varying degrees of discreteness and stability depends on the concentration and strength of active centers formed on the powder components and the composition of the surrounding gas medium. The most stable oxygen compounds - segregation are formed near strong active centers on the surface of the particles. With a high concentration of active centers on the surface of the particles, oxygen segregation spreads, combines, and then layers. In this case, a continuous oxide coating is formed, which in some places consists of several atomic layers. At a low concentration of strong active centers on the particle surface, oxygen atoms and molecules accumulate near the concentration of several active centers and form compounds with substrate atoms without their further propagation. In this case, a discrete surface landscape of the oxide adsorbate is formed. Simultaneously with the adsorption by the surface of oxygen, it diffuses into the surface layers of the structure of hard alloys.
В процессе спекания сформованной порошковой массы, значительная концентрация физически адсорбированных молекул кислорода, как на поверхности, так и в глубинных слоях порошковых частиц может переходить в химически адсорбированное состояние с образованием химических соединений со сложным карбидом, карбидом вольфрама, карбидом титана или кобальтом. Одновременно с данным процессом некоторая концентрация физически адсорбированных молекул кислорода, имеющих слабую связь с частицами, находящимися в глубинных слоях спекаемой формовки, за счет температурного градиента, перемещаются к поверхности твердосплавного полуфабриката. В итоге, в поверхностных и приповерхностных слоях, спекаемого твердого сплава формируется высокая концентрация атомов и молекул кислорода, образующих различные по прочности соединения с металлическими компонентами. При этом, если во внутреннем объеме спекаемого твердого сплава основная концентрация кислорода, находящегося в твердом растворе со сложным карбидом, карбидом вольфрама, титана и кобальтом располагается в глубинных слоях составляющих компонентов (карбидных зерен и кобальтовой прослойки), то в приповерхностных слоях кислород находится на периферии, как карбидных зерен, так и кобальтовой прослойки.During sintering of the molded powder mass, a significant concentration of physically adsorbed oxygen molecules, both on the surface and in the deep layers of the powder particles, can transform into a chemically adsorbed state with the formation of chemical compounds with complex carbide, tungsten carbide, titanium carbide or cobalt. Simultaneously with this process, a certain concentration of physically adsorbed oxygen molecules having a weak bond with particles located in the deep layers of the sintered molding, due to the temperature gradient, moves to the surface of the carbide semifinished product. As a result, a high concentration of oxygen atoms and molecules is formed in the surface and near-surface layers of the sintered hard alloy, which form compounds of various strength with metal components. At the same time, if the main concentration of oxygen in the solid solution with complex carbide, tungsten carbide, titanium and cobalt is located in the deep layers of the constituent components (carbide grains and cobalt interlayer) in the inner volume of the sintered hard alloy, then in the surface layers oxygen is at the periphery both carbide grains and cobalt interlayer.
В процессе эксплуатации твердосплавных режущих инструментов на контактных поверхностях режущего клина, вследствие поступления кислорода из внутренней структуры, а также поступления кислорода в зону контакта со стороны окружающей газовой атмосферы, непрерывно формируются, подвергаются разрушению и регенерации тонкопленочные полиоксидные структуры. Интенсивность образования полиоксидных пленочных структур возрастает с увеличением концентрации кислорода, содержащегося во внутренней структуре твердых сплавов и концентрации кислорода, адсорбируемого контактными поверхностями режущего инструмента из окружающей газовой среды.During the operation of carbide cutting tools on the contact surfaces of the cutting wedge, thin film polyoxide structures are continuously formed, undergo destruction and regeneration due to oxygen from the internal structure, as well as oxygen entering the contact zone from the surrounding gas atmosphere. The rate of formation of polyoxide film structures increases with an increase in the concentration of oxygen contained in the internal structure of hard alloys and the concentration of oxygen adsorbed by the contact surfaces of the cutting tool from the surrounding gas environment.
Твердосплавные режущие инструменты группы применяемости Р предназначены для обработки материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. Адгезионное взаимодействие в зонах контакта инструментального и обрабатываемого материалов в таком случае является незначительным. Вследствие этого отсутствует необходимость в формировании на контактных поверхностях режущего инструмента оксидных и полиоксидных диссипативных структур, призванных осуществлять твердую смазку и экранировать межмолекулярное взаимодействие. Более того, образовавшаяся полиоксидная поверхностная структура, непрерывно подвергающаяся интенсивной механоактивации в межконтактных зонах, становится одним из реагентом или катализатором твердофазных реакций (диффузионного износа) между инструментальным и обрабатываемым материалом. При этом в результате прямых или не прямых химических реакций, происходящих в зонах контакта, наступает более активное превращение нижележащих слоев инструментального материала в оксидные и полиоксидные структуры, инициируемые уже сформированными механоактивируемыми оксидными и полиоксидными структурами, расположенными над ними. Образование оксидных поверхностных структур и их распространение в глубинную структуру твердого сплава, в представленной последовательности, является, одним из основных видов разрушения режущего клина, приводящим к снижению эксплуатационных характеристик режущего инструмента. Вследствие представленного можно сделать вывод, что износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, с увеличением в их поверхностной и приповерхностной структуре концентрации кислорода, снижается.Carbide cutting tools of the applicability group P are intended for processing materials that cause intense diffusion wear. In this case, the adhesive interaction in the contact zones of the tool and the processed material is insignificant. As a result of this, there is no need for the formation of oxide and polyoxide dissipative structures on the contact surfaces of the cutting tool, which are designed to carry out solid lubrication and screen intermolecular interaction. Moreover, the formed polyoxide surface structure, continuously subjected to intensive mechanical activation in the contact zones, becomes one of the reagent or catalyst for solid-phase reactions (diffusion wear) between the tool and the processed material. In this case, as a result of direct or indirect chemical reactions occurring in the contact zones, there occurs a more active conversion of the underlying layers of the tool material into oxide and polyoxide structures, initiated by the already formed mechanically activated oxide and polyoxide structures located above them. The formation of oxide surface structures and their distribution into the deep structure of the hard alloy, in the presented sequence, is one of the main types of destruction of the cutting wedge, leading to a decrease in the operational characteristics of the cutting tool. As a result of the presented, it can be concluded that the wear resistance of carbide cutting tools of the applicability group P when they process materials that cause intense diffusion wear, with an increase in oxygen concentration in their surface and surface structures, decreases.
Процесс окисления структуры твердого сплава и ее сублимация - переход из твердого в газообразное состояние, минуя газообразную фазу, происходит при достаточно высоких температурах эксплуатации режущего инструмента. При резании инструментами из твердых сплавов группы применяемости Р сталей и сплавов, вызывающих интенсивный диффузионный износ температура контактных поверхностей режущего инструмента всегда выше температур контактных поверхностей обрабатываемого материала. Вследствие этого газообразное состояние сублимируемого вещества не достигает своего насыщения. Конденсация образующегося газообразного сублимата со стороны передней поверхности режущего клина преимущественно, в данных условиях, происходит исключительно на внутреннюю поверхность сходящей стружки, а со стороны задней поверхности - на поверхность резания. Отсутствие условий, обеспечивающих состояние насыщения газового оксида, и его конденсация на поверхности обрабатываемого материала, стимулирует диффузию кислорода из глубинных слоев твердого сплава, дополнительно усиливает окислительные процессы контактных поверхностей и сублимацию оксидного вещества. В процессе диффузионных процессов в поверхностной и приповерхностной структуре твердых сплавов в данном случае формируется высокая концентрация различного вида пор. При этом внутренние поверхности системы пор, одновременно с их образованием, начинают активно адсорбировать кислород окружающей газовой среда и инициировать поступление кислорода в их полости из глубинных слоев структуры твердых сплавов. Увеличение концентрации и объема поверхностных и приповерхностных пор, происходящее в процессе эксплуатации режущего инструмента дополнительно приводит к увеличению аккумулирующей емкости для кислорода, адсорбируемого поверхностью из окружающей газовой среды и поступающего за счет диффузии из глубинной структуры твердого сплава в поверхностные и приповерхностные слои. Одновременное протекание данных процессов приводит к еще более интенсивному окислению контактных поверхностей режущего клина и его ускоренному износу. Наиболее интенсивно, вновь, адсорбируют кислород открытые и закрытые полости поверхностной структуры твердых сплавов, имеющих наноразмерные параметры. Такие полости возникают в результате сублимации оксидных и оксикарбидных образований сформированных в полостях и трещинах, образованных ранее на отдельных стадиях получения твердых сплавов.The process of oxidation of the structure of a hard alloy and its sublimation — a transition from a solid to a gaseous state, bypassing the gaseous phase, occurs at sufficiently high operating temperatures of the cutting tool. When cutting with hard alloy tools, the applicability group P of steels and alloys that cause intense diffusion wear, the temperature of the contact surfaces of the cutting tool is always higher than the temperatures of the contact surfaces of the processed material. As a result, the gaseous state of the sublimated substance does not reach its saturation. The condensation of the resulting gaseous sublimate from the front surface of the cutting wedge mainly, under these conditions, occurs exclusively on the inner surface of the descending chips, and from the back surface to the cutting surface. The absence of conditions ensuring the saturation state of gaseous oxide, and its condensation on the surface of the processed material, stimulates the diffusion of oxygen from the deep layers of the hard alloy, further enhances the oxidation processes of the contact surfaces and the sublimation of the oxide substance. In the process of diffusion processes in the surface and near-surface structure of hard alloys in this case, a high concentration of various types of pores is formed. In this case, the internal surfaces of the pore system, simultaneously with their formation, begin to actively adsorb oxygen in the surrounding gas medium and initiate the flow of oxygen into their cavities from the deep layers of the structure of hard alloys. An increase in the concentration and volume of surface and near-surface pores that occurs during operation of the cutting tool additionally leads to an increase in the storage capacity for oxygen adsorbed by the surface from the surrounding gas medium and supplied by diffusion from the deep structure of the hard alloy to the surface and near-surface layers. The simultaneous occurrence of these processes leads to even more intense oxidation of the contact surfaces of the cutting wedge and its accelerated wear. Open and closed cavities of the surface structure of hard alloys with nanoscale parameters adsorb oxygen most intensively, again. Such cavities arise as a result of sublimation of oxide and oxycarbide formations formed in cavities and cracks formed earlier at separate stages of the production of hard alloys.
Основным структурным компонентом твердых сплавов группы применяемости Р является наличие в их структуре сложного соединения на основе карбидов титана и вольфрама. Именно данный комплексный карбид обеспечивает наличие у твердых сплавов данной группы свойств, эффективно оказывающих сопротивление высокотемпературным видам изнашивания. Предельно насыщенный твердый раствор карбида вольфрама в карбиде титана обеспечивает наиболее высокие эксплуатационные характеристики твердосплавным режущим инструментам группы применяемости Р, при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. При наивысшей степени стехиометрии между карбидом титана и карбидом вольфрама в составе твердого раствора достигается для твердых сплавов наибольшая твердость, достаточно высокая прочность, теплостойкость, жаропрочность, износостойкость при резании материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. Постепенное частичное или полное разрушение сложных карбидных зерен в общей структуре твердого сплава, происходящее в процессе механической обработки сталей и сплавов приводит к значительному снижению эксплуатационных характеристик режущих инструментов.The main structural component of hard alloys of the applicability group P is the presence in their structure of a complex compound based on titanium and tungsten carbides. It is this complex carbide that ensures the presence of hard alloys of this group of properties that effectively resist high-temperature types of wear. An extremely saturated solid solution of tungsten carbide in titanium carbide provides the highest performance characteristics for carbide cutting tools of the applicability group P, when they process materials that cause intense diffusion wear. With the highest degree of stoichiometry between titanium carbide and tungsten carbide in the composition of the solid solution, the highest hardness, sufficiently high strength, heat resistance, heat resistance, wear resistance when cutting materials that cause intense diffusion wear are achieved. The gradual partial or complete destruction of complex carbide grains in the overall structure of the hard alloy that occurs during the machining of steels and alloys leads to a significant decrease in the operational characteristics of cutting tools.
Наиболее разрушительным последствием высокого содержания кислорода во внутренней структуре твердого сплава является окисление карбида вольфрама, входящего в твердый раствор с карбидом титана. Вследствие этого наступает общая катастрофическая деградация структуры твердосплавной композиции. Нарушается надежная связь между кобальтовой матрицей и сложными карбидными зернами. Отделяемые от контактных поверхностей режущего клина частицы кобальтовой связки и карбида титана, вследствие разрыхления структуры, уносятся сходящей стружкой и поверхностью резания, интенсифицируя, тем самым, абразивный износ. Процессы окисления карбида вольфрама в твердосплавной композиции существенным образом нарушают термодинамическое равновесие в стехиометрическом твердом растворе состава: карбид титана - карбид вольфрама. Окисление карбида вольфрама инициирует также окисление и переход из твердого в газообразное состояние и других компонентов твердого сплава.The most damaging consequence of the high oxygen content in the internal structure of the hard alloy is the oxidation of tungsten carbide, which enters the solid solution with titanium carbide. As a result of this, a general catastrophic degradation of the structure of the carbide composition occurs. The reliable connection between the cobalt matrix and complex carbide grains is broken. Particles of cobalt binder and titanium carbide separated from the contact surfaces of the cutting wedge, due to loosening of the structure, are carried away by the descending chips and the cutting surface, thereby intensifying abrasive wear. The oxidation processes of tungsten carbide in a carbide composition significantly violate the thermodynamic equilibrium in a stoichiometric solid solution of the composition: titanium carbide - tungsten carbide. The oxidation of tungsten carbide also initiates the oxidation and transition from solid to gaseous state and other components of the hard alloy.
Наиболее низкую энергию перехода из твердого в газообразное состояние имеют оксиды вольфрама и кобальта, а наиболее высокую - оксид титана. Процессам окисления и сублимации сформированных оксидных образований могут способствовать дефекты структуры твердых сплавов. К ним относятся нестехиометрия карбидных зерен, неоднородность фазового состава в кобальтовой прослойке, наличие различного рода примесей. С увеличением степени нестехиометрии карбидных зерен и фазовой неоднородности в составе кобальтовой прослойке процессы окисления и сублимации данных компонентов твердого сплава интенсифицируется.Tungsten and cobalt oxides have the lowest transition energy from solid to gaseous state, and titanium oxide has the highest energy. The processes of oxidation and sublimation of the formed oxide formations can be promoted by defects in the structure of hard alloys. These include non-stoichiometry of carbide grains, phase composition heterogeneity in the cobalt interlayer, and the presence of various kinds of impurities. With an increase in the degree of non-stoichiometry of carbide grains and phase inhomogeneity in the composition of the cobalt interlayer, the processes of oxidation and sublimation of these hard alloy components are intensified.
При высокой степени стехиометрии между карбидом титана и карбидом вольфрама в составе сложного карбида достигаются наиболее высокие эксплуатационные характеристики для твердосплавного режущего инструмента.With a high degree of stoichiometry between titanium carbide and tungsten carbide in the composite carbide, the highest performance characteristics for carbide cutting tools are achieved.
Наличие в компонентах твердых сплавов некоторых примесей также может способствовать процессам окисления карбидов и последующей сублимации, формирующимся оксидам. К ним относятся примеси щелочных и щелочноземельных металлов. Данные примеси могут быть зародышами в процессах окисления, а также стимулировать процессы сублимации. С увеличением в составе компонентов твердых сплавов примесей щелочных и щелочноземельных металлов скорость окисления и сублимации возрастает. Это происходит вследствие высокой адсорбционной активности данных элементов по отношению к кислороду, низкой энергией образования оксидных образований, высокой летучестью образуемого газообразного сублимата. Примеси рассматриваемых элементов могут, также, выполнять, роль катализаторов процесса окисления. Кроме этого их соединения с металлическими элементами компонентов твердых сплавов могут подвергаться окислению и сублимации при более низких температурах и этим самым способствовать началу интенсивного процесса перехода твердого вещества в газообразное состояние. Участие примесей в процессах окисления и сублимации значительным образом активизирует процессы диффузии кислорода из глубинных слоев твердого сплава к контактным поверхностям режущего клина. Последнее обстоятельство, в свою очередь, интенсифицирует явление окисления и сублимации и ускоряет разрушение контактных поверхностей режущего клина. Увеличение содержания примесей в компонентах твердых сплавов существенным образом изменяют кинетику режимов окисления и сублимации. С ростом концентрации указанных выше примесей ускоряются процессы зародышеобразования оксидов и их сублимации. Износостойкость режущих инструментов группы применяемости Р при резании ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ в этом случае значительно снижается.The presence of certain impurities in the components of hard alloys can also contribute to the processes of carbide oxidation and subsequent sublimation, forming oxides. These include impurities of alkali and alkaline earth metals. These impurities can be nuclei in oxidation processes, as well as stimulate sublimation processes. With an increase in the composition of hard alloy components of impurities of alkali and alkaline earth metals, the rate of oxidation and sublimation increases. This is due to the high adsorption activity of these elements with respect to oxygen, the low formation energy of oxide formations, and the high volatility of the gaseous sublimate formed. Impurities of the elements under consideration can also fulfill the role of catalysts for the oxidation process. In addition, their compounds with the metal elements of the components of hard alloys can undergo oxidation and sublimation at lower temperatures and thereby contribute to the onset of an intensive process of the transition of a solid into a gaseous state. The participation of impurities in the processes of oxidation and sublimation significantly activates the processes of oxygen diffusion from the deep layers of the hard alloy to the contact surfaces of the cutting wedge. The latter circumstance, in turn, intensifies the phenomenon of oxidation and sublimation and accelerates the destruction of the contact surfaces of the cutting wedge. An increase in the content of impurities in the components of hard alloys substantially changes the kinetics of the oxidation and sublimation modes. With an increase in the concentration of the above impurities, the nucleation of oxides and their sublimation are accelerated. The wear resistance of cutting tools of the applicability group P when they cut materials that cause intense diffusion wear in this case is significantly reduced.
Существенно важной особенностью предлагаемого способа прогнозирования износостойкости является то, что в соответствии с его приемами - без дополнительных затрат и технических трудностей представляется возможным проводить более объективную и точную оценку износостойкости - вследствие оперативного анализа и сопоставления текущих контролируемых и эталонных параметров, полученных в широком диапазоне режимов резания и температур резания. На свойства твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р большое влияние оказывают износостойкие покрытия. Между содержанием кислорода на поверхности и в приповерхностных слоях этих твердых сплавов и их эксплуатационными характеристиками наблюдается также устойчивая корреляционная связь. И для данных инструментальных материалов соблюдается правило: с уменьшением аккумулированного их поверхностью и приповерхностной областью кислорода износостойкость режущих инструментов возрастает. Соответственно предлагаемый способ прогнозирования износостойкости для оценки их эксплуатационных характеристик также применим.An essential feature of the proposed method for predicting wear resistance is that in accordance with its methods - without additional costs and technical difficulties, it seems possible to conduct a more objective and accurate assessment of wear resistance - due to operational analysis and comparison of current controlled and reference parameters obtained in a wide range of cutting conditions and cutting temperatures. The properties of carbide cutting tools of the applicability group P are greatly influenced by wear-resistant coatings. A stable correlation is also observed between the oxygen content on the surface and in the surface layers of these hard alloys and their operational characteristics. And for these tool materials, the rule is observed: with a decrease in the oxygen accumulated by their surface and the near-surface region, the wear resistance of cutting tools increases. Accordingly, the proposed method for predicting wear resistance to assess their performance is also applicable.
Реализация способа производится, последовательно проходя несколько этапов. Сначала твердосплавные режущие инструменты (режущие пластины) подвергают испытанию в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. После испытаний на износостойкость режущие пластины тщательно очищают, подвергают полированию одну из поверхностей (например, посадочную или боковую), тщательно промывают в спиртовом растворе, сушат и, наконец, испытывают на содержание кислорода на поверхности и в приповерхностной области. Контроль можно отнести к неразрушающим методам, потому что режущие пластины, в случае наличия у них, оставшихся неиспользованными, режущих граней (многогранные режущие пластины) можно продолжать эксплуатировать.The implementation of the method is carried out through several stages. First carbide cutting tools (cutting inserts) are tested during cutting of materials that cause intense diffusion wear. After wear resistance tests, the cutting inserts are thoroughly cleaned, one of the surfaces is polished (for example, landing or side), thoroughly washed in an alcohol solution, dried and, finally, tested for oxygen on the surface and in the surface area. Control can be attributed to non-destructive methods, because the cutting inserts, if they have left unused cutting edges (multifaceted cutting inserts) can be continued to operate.
Ввиду большого влияния, оказываемого аккумулированным кислородом на эксплуатационные характеристики твердых сплавов группы применяемости Р, а также вследствие его размещения преимущественно на поверхности и в приповерхностной структуре, прогнозирование износостойкости режущих инструментов группы применяемости Р осуществляли при сопоставлении износостойкости с общим содержанием кислорода на поверхности и в приповерхностной области структуры данных твердых сплавов.Due to the large influence exerted by the accumulated oxygen on the operational characteristics of hard alloys of the applicability group P, as well as due to its location mainly on the surface and in the surface structure, the wear resistance of cutting tools of the applicability group P was predicted by comparing the wear resistance with the total oxygen content on the surface and in the near-surface region data structures of hard alloys.
Процесс диагностирования поверхности и приповерхностной области твердого сплава, глубиной до 0,15 мм на содержание кислорода производили с помощью атомно-эмиссионного спектрометра, работающего в режиме тлеющего разряда модели GD-Profiler-2 фирмы HORIBA. Настройка прибора на процесс идентификации кислорода в твердосплавных режущих пластинах группы применяемости Р производится с помощью эталонных образцов. Работа осуществлялась в следующей последовательности: Сначала подготавливают поверхности образцов твердого сплава группы применяемости Р к проведению на них измерений. Поверхность предварительно полируют до RA=0,32-0,63 мкм. После очистки поверхности в ультразвуковой ванне и сушки в течение 2-4 мин при комнатной температуре образец-пробу прикладывают к выходному окну полого анода спектрометра и включают вакуумный насос, создающий высокий вакуум в измерительной камере - внутренней полости анода. Удержание образца - катода у выходного окна осуществляется за счет образования во внутренней полости анода вакуума порядка 10-4-10-3 мм рт. ст. После создания в измерительной камере высокого вакуума ее внутреннее пространство заполняется незначительным количеством аргона особой чистоты и, одновременно, между образцом - катодом и анодом создается высокое пульсирующее напряжение с частотой 13,56 мГц. Такое напряжение создается специальным радиочастотным генератором. Под действием высокочастотного напряжения происходит ионизация атомов аргона и их направленное движение к катоду - твердосплавному образцу. При малом давлении аргона в разрядной ячейке - пустотелом аноде, всегда имеется некоторая концентрация положительно заряженных ионов и электронов. Под действием разности потенциалов между катодом и анодом электроны устремляются к аноду, а положительно заряженные ионы аргона к катоду-образцу. Ионы аргона за счет большой кинетической энергии активизируют атомы катода - твердого сплава и способствуют образованию вторичных электронов. В процессе горения плазмы тлеющего разряда происходит непрерывный процесс возбуждения атомов поверхности образца и релаксация возбужденного состояния. Переход на более высокий энергетический уровень распыляемых атомов образца происходит, как за счет атомов и ионов аргона, так и за счет вторичных электронов. Вторичные электроны ускоряются от катода и испытывают на своем пути различные столкновения, в том числе с атомами и ионами образца. В результате релаксации возбужденного состояния, при переходе атомных электронов образца от высоких к низким уровням энергий, происходит излучение кванта энергии. Световые излучения фиксируются и обрабатываются специальными приемниками и фотоумножителями. Концентрация кислорода в структуре (в том числе и по глубине) идентифицируется с интенсивностью появления характеристических линий в его спектре. Спектральный анализ кислорода по глубине идентифицируется с длительностью горения плазмы тлеющего разряда и вносится заранее в программу работы спектрометра. Данные по обработке получаемых спектров передаются на аналогово-цифровой преобразователь, а затем на компьютерный процессор и, наконец, на дисплей компьютера. Полностью контроль отображается на экране процессорного блока. Обычно время измерения составляет не более 5 мин. Измерение характеризуется высокой воспроизводимостью результатов, т.к. исключает ошибки, связанные с отбором, подготовкой и анализом отдельных конкретных образцов твердого сплава, характерные для традиционных методов анализа.The process of diagnosing the surface and near-surface region of a hard alloy with a depth of 0.15 mm for the oxygen content was carried out using an atomic emission spectrometer operating in the glow discharge mode of the GD-Profiler-2 model of HORIBA company. The instrument is tuned to the process of oxygen identification in carbide cutting inserts of the applicability group P using standard samples. The work was carried out in the following sequence: First, prepare the surfaces of the samples of the hard alloy of the applicability group P for measurements on them. The surface is pre-polished to R A = 0.32-0.63 μm. After cleaning the surface in an ultrasonic bath and drying for 2-4 minutes at room temperature, the sample is applied to the exit window of the hollow anode of the spectrometer and the vacuum pump is turned on, creating a high vacuum in the measuring chamber — the internal cavity of the anode. The retention of the sample - cathode at the exit window is due to the formation of a vacuum of about 10 -4 -10 -3 mm RT in the inner cavity of the anode. Art. After creating a high vacuum in the measuring chamber, its internal space is filled with a small amount of high purity argon and, at the same time, a high ripple voltage with a frequency of 13.56 MHz is created between the sample - cathode and anode. This voltage is created by a special radio frequency generator. Under the influence of high-frequency voltage, ionization of argon atoms occurs and their directed motion to the cathode - carbide sample. At low argon pressure in the discharge cell, the hollow anode, there is always a certain concentration of positively charged ions and electrons. Under the action of the potential difference between the cathode and the anode, the electrons rush to the anode, and positively charged argon ions to the sample cathode. Due to the large kinetic energy, argon ions activate the atoms of the cathode, a hard alloy, and contribute to the formation of secondary electrons. In the process of burning a glow discharge plasma, a continuous process of excitation of atoms of the sample surface and relaxation of the excited state occurs. The transition to a higher energy level of atomized atoms of the sample occurs both due to atoms and argon ions, and due to secondary electrons. Secondary electrons are accelerated from the cathode and experience various collisions in their path, including with atoms and ions of the sample. As a result of relaxation of the excited state, during the transition of atomic electrons of the sample from high to low energy levels, an energy quantum is emitted. Light radiation is recorded and processed by special receivers and photomultipliers. The oxygen concentration in the structure (including in depth) is identified with the intensity of the appearance of characteristic lines in its spectrum. The depth spectral analysis of oxygen is identified with the duration of the glow plasma discharge and is entered in advance into the spectrometer program. The data on the processing of the obtained spectra are transmitted to an analog-to-digital converter, and then to a computer processor and, finally, to a computer display. Full control is displayed on the screen of the processor unit. Typically, the measurement time is not more than 5 minutes. The measurement is characterized by high reproducibility of the results, because eliminates errors associated with the selection, preparation and analysis of individual specific samples of hard alloys characteristic of traditional methods of analysis.
Прогнозирование износостойкости твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р при обработке ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ заключается в том, что сначала производят стойкостные испытания твердосплавных режущих пластин из двух выборок партий твердосплавной продукции, определяют износостойкость каждой режущей пластины, определяют средние значения износостойкости для режущих пластин для каждой выборки, производят подготовку образов (полирование очистка, сушка), помещают образцы по очереди в спектрометр, определяют концентрацию аккумулированного поверхностью и приповерхностной областью кислорода в каждом образце, определяют средние значения выделившегося кислорода для образцов для каждой выборки, строят график зависимости износостойкости от концентрации кислорода. Затем прогнозирование износостойкости у поставляемой партии твердосплавных режущих пластин группы применяемости Р производят без испытания их в процессе резания, а только по наличии у них концентрации кислорода в их поверхностной и приповерхностной структуре. С уменьшением концентрации кислорода в поверхностной и приповерхностной структуре твердосплавных режущих пластин группы применяемости Р их износостойкость при резании материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ возрастает. При этом для прогнозирования износостойкости используют зависимость (1) а также пользуются графиком зависимости «износостойкость - концентрация кислорода», полученным ранее при испытании - прогнозировании износостойкости первых (эталонных) партий твердосплавных режущих пластин.The prediction of the wear resistance of carbide cutting tools of the applicability group P when they process materials that cause intense diffusion wear is that they first conduct persistent tests of carbide cutting inserts from two samples of carbide production batches, determine the wear resistance of each cutting insert, determine the average wear resistance for cutting inserts for each sample, prepare the images (polishing cleaning, drying), place the samples in turn in a spectrometer, the concentration of oxygen accumulated by the surface and the near-surface region of oxygen in each sample is determined, the average values of the released oxygen for the samples for each sample are determined, and a graph of the wear resistance versus oxygen concentration is plotted. Then, the wear resistance of the supplied batch of carbide cutting inserts of the applicability group P is predicted without testing them during cutting, but only if they have an oxygen concentration in their surface and near-surface structure. With a decrease in the oxygen concentration in the surface and near-surface structure of carbide cutting inserts of the applicability group P, their wear resistance increases when cutting materials that cause intense diffusion wear. In this case, to predict the wear resistance, use dependence (1) and also use the graph of the dependence "wear resistance - oxygen concentration", obtained earlier in the test - forecasting the wear resistance of the first (reference) batches of carbide cutting inserts.
На фиг. 1 представлена эталонная зависимость «износостойкость - концентрация кислорода», на основании которой производится прогнозирование износостойкости твердосплавных группы применяемости Р режущих пластин при резании ими материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ.In FIG. 1 shows the reference dependence "wear resistance - oxygen concentration", on the basis of which a forecast is made of the wear resistance of carbide applicability groups P of cutting inserts when cutting materials that cause intense diffusion wear.
На фиг. 2 представлена схематическая зависимость содержания кислорода в поверхностной и приповерхностной структуре твердого сплава в течение заданной продолжительности горения тлеющего разряда.In FIG. Figure 2 shows a schematic dependence of the oxygen content in the surface and near-surface structure of a hard alloy during a given duration of burning of a glow discharge.
Насыщение структуры твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р кислородом происходило в процессе изготовления отдельных компонентов и последующего спекания композита. Концентрация аккумулированного структурой кислорода отражает особенности химического состава и характер изготовления составляющих компонентов и твердого сплава в целом.The saturation of the structure of carbide cutting tools of the applicability group P with oxygen occurred during the manufacturing of individual components and the subsequent sintering of the composite. The concentration of oxygen accumulated by the structure reflects the characteristics of the chemical composition and the nature of the manufacture of constituent components and the hard alloy as a whole.
С учетом рассмотренных особенностей взаимодействия твердосплавных инструментальных материалов группы применяемости Р с кислородом можно констатировать, что на процесс насыщения структуры твердых сплавов кислородом оказывают большое количество управляемых факторов, к числу которых относятся, например основные: состав исходных материалов, предназначенных для получения порошков вольфрама, титана, кобальта, графита, наличие у них тех или иных примесей, технология получения указанных порошков, технология получения карбидов, сложного карбида, особенности размола и механоактивации порошков, особенности процесса спекания компонентов твердых сплавов, состав газовой среды, используемой при получении порошков и их спекании. Путем целенаправленного управления общим процессом следует обеспечить такие условия для получения твердых сплавов, при которых поверхность и приповерхностная структура будет аккумулировать наименьший, из возможных, объем кислорода. Такой подход обеспечит формирование наиболее оптимальной структуры твердых сплавов при их изготовлении. При этом с уменьшением в структуре твердых сплавов группы применяемости Р кислорода, их износостойкость, при резании материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ, возрастает.Taking into account the considered features of the interaction of carbide tool materials of the applicability group P with oxygen, it can be stated that a large number of controlled factors have an effect on the saturation of the structure of hard alloys with oxygen, including, for example, the main ones: the composition of the starting materials intended to produce tungsten and titanium powders cobalt, graphite, the presence of certain impurities, the technology for producing these powders, the technology for producing carbides, complex carbide, features of grinding and mechanical activation of powders, features of the sintering process of components of hard alloys, the composition of the gas medium used in the preparation of powders and their sintering. By purposefully controlling the overall process, conditions should be provided for the production of hard alloys under which the surface and the surface structure will accumulate the smallest possible amount of oxygen. This approach will ensure the formation of the most optimal structure of hard alloys in their manufacture. Moreover, with a decrease in the structure of hard alloys of the oxygen applicability group R, their wear resistance increases when cutting materials that cause intense diffusion wear.
Пример осуществления способа прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Сначала, полученные при выборке две партии, (принятые в качестве эталонных) в количестве по 10 штук каждая, твердосплавных режущих пластин группы применяемости Р марки Т15К6 подвергались испытаниям на износостойкость на токарно-винторезном станке модели 163. В качестве обрабатываемого материала использовалась углеродистая сталь 45. Скорость резания при испытаниях выбиралась равной 190 м/мин. Подача и глубина резания принимались соответственно 0,23 мм/об. и 1,5 мм. Резание осуществлялось без охлаждения. За критерий затупления (потери режущих свойств) принимался износ режущей пластины по задней поверхности, равный 0,8 мм.An example of a method for predicting the wear resistance of carbide cutting tools. First, two batches obtained during sampling, (accepted as reference) in an amount of 10 pieces each, carbide cutting inserts of the T15K6 grade of applicability group P were tested for wear resistance on a model 163 screw-cutting lathe. The material used was carbon steel 45. The cutting speed during the tests was chosen equal to 190 m / min. The feed rate and depth of cut were respectively 0.23 mm / rev. and 1.5 mm. Cutting was carried out without cooling. As a bluntness criterion (loss of cutting properties), the wear of the cutting insert along the rear surface equal to 0.8 mm was taken.
Стойкость (T1i) для образцов из 10 штук первой эталонной партии составила: 53,1; 52,0; 51,3; 50,4; 49,3; 48,5; 47,6; 46,8; 46,0; 45,3 мин. Среднее значение стойкости составило 49,0 мин.Resistance (T 1i ) for samples of 10 pieces of the first reference batch was: 53.1; 52.0; 51.3; 50.4; 49.3; 48.5; 47.6; 46.8; 46.0; 45.3 minutes The average value of resistance was 49.0 minutes
Стойкость (T2i) для образцов из 10 штук второй эталонной партии составила: 55,8; 55,0; 53,9; 53,1; 52,4; 51,4; 50,6; 50,0; 49,4; 48,4 мин. Среднее значение стойкости составило 52,0 мин.Resistance (T 2i ) for samples of 10 pieces of the second reference batch was: 55.8; 55.0; 53.9; 53.1; 52.4; 51.4; 50.6; 50.0; 49.4; 48.4 minutes The average resistance value was 52.0 min.
Затем, испытанные твердосплавные пластины после полировки химической очистки в ультразвуковой ванне и сушки подвергались обследованию на определение аккумулированного структурой поверхности и приповерхностной области кислорода. Оптимальная шероховатость подготавливаемой при полировке поверхности составляет КА=0,32-0,63 мкм.Then, the tested carbide inserts after polishing the chemical cleaning in an ultrasonic bath and drying were examined to determine the surface accumulated by the structure and the surface region of oxygen. The optimal roughness of the surface prepared during polishing is K A = 0.32-0.63 microns.
Подготовленные таким образом твердосплавные пластины устанавливают в качестве катода у выходного отверстия полого анода и начинают, при включении спектрометра, процесс контроля на содержание кислорода. Процесс определения концентрации кислорода на поверхности и в приповерхностной области на основании измерения интенсивности характеристической линии в оптическом спектре тлеющего разряда определяли с помощью атомно-эмиссионного спектрометра GD-Profiler-2 фирмы HORIBA. Точность появления регистрируемых интенсивностей характеристических линий кислорода в спектре составляет ±0,01 В. Время горения тлеющего разряда, устанавливается постоянным и составляет для контроля каждой пластины 180 с.The carbide plates thus prepared are mounted as a cathode at the outlet of the hollow anode and, when the spectrometer is turned on, the oxygen content monitoring process begins. The process of determining the concentration of oxygen on the surface and in the near-surface region based on measuring the intensity of the characteristic line in the optical spectrum of a glow discharge was determined using a HORIBA GD-Profiler-2 atomic emission spectrometer. The accuracy of occurrence of the recorded intensities of the characteristic lines of oxygen in the spectrum is ± 0.01 V. The glow time of the glow discharge is set constant and is 180 s for monitoring each plate.
В процессе контроля по определению содержания кислорода на поверхности и в приповерхностной области, при установленной длительности тлеющего разряда 180 с (глубина ориентировочно составляла 100-150 мкм) получали графики зависимости «интенсивность появления характеристических линий кислорода в спектре тлеющего разряда в вольтах - время горения тлеющего разряда в секундах». Графики типовых зависимостей представлены на фиг. 2. С помощью стандартной компьютерной программы, одновременно, определяли площадь под каждой графической зависимостью, получаемой для каждой конкретной режущей пластины и характеризующей интегральное, относительное содержание кислорода на поверхности и в приповерхностной области в течение 180 с горения тлеющего разряда. Это время соответствует ориентировочно распространению кратера (действия плазмы) на глубину до 100-150 мкм. Площадь S, характеризующая относительное интегральное содержание кислорода по глубине сканирования измерялась произведением (Вольт × с) - (В·с). Для первой партии режущих пластин получили следующие данные по интегральному параметру S1i (величине площади под конкретной кривой, характеризующей относительное интегральное содержание кислорода на поверхности и в приповерхностной области) для режущих пластин, в порядке, соответственно, с их ранее полученной при испытаниях износостойкостью: 20,8; 21,4; 22,8; 23,7; 25,8; 27,3; 28,5; 29,8; 30,6; 31,8; (В·с). Среднее значение параметра концентрации кислорода на поверхности и в приповерхностной области составило: 26,3 (В·с).In the process of monitoring to determine the oxygen content on the surface and in the near-surface region, at a specified glow discharge duration of 180 s (the depth was approximately 100-150 μm), we obtained graphs of the dependence "the intensity of the appearance of characteristic oxygen lines in the glow discharge spectrum in volts is the glow discharge burning time in seconds. " Typical dependency plots are shown in FIG. 2. Using a standard computer program, at the same time, we determined the area under each graphical dependence obtained for each specific cutting insert and characterizing the integral, relative oxygen content on the surface and in the near-surface region during 180 s of a glow discharge. This time corresponds approximately to the spread of the crater (plasma action) to a depth of 100-150 microns. The area S characterizing the relative integral oxygen content over the scanning depth was measured by the product (Volts × s) - (V · s). For the first batch of cutting inserts, the following data were obtained on the integral parameter S 1i (the area under a particular curve characterizing the relative integral oxygen content on the surface and in the near-surface region) for the cutting inserts, in the order, respectively, with their previously obtained during wear resistance tests: 20 ,8; 21.4; 22.8; 23.7; 25.8; 27.3; 28.5; 29.8; 30.6; 31.8; (V s). The average value of the oxygen concentration parameter on the surface and in the near-surface region was: 26.3 (V s).
Для второй партии режущих пластин получили следующие данные по параметру S2i (величине площади под конкретной кривой, характеризующей относительное интегральное содержание кислорода на поверхности и в приповерхностной области) для режущих пластин, в порядке, соответственно также, с их ранее полученной при испытаниях износостойкостью: 15,4; 16,6; 17,4; 19,6; 21,3; 22,6; 23,8; 24,8; 26,4; 27,3 (В·с). Среднее значение параметра концентрации кислорода на поверхности и в приповерхностной области составило: 21,5 (В·с).For the second batch of cutting inserts, the following data were obtained on the parameter S 2 i (the area under a particular curve characterizing the relative integral oxygen content on the surface and in the near-surface region) for the cutting inserts, in the same manner, respectively, also with their previously obtained wear resistance tests: 15.4; 16.6; 17.4; 19.6; 21.3; 22.6; 23.8; 24.8; 26.4; 27.3 (V s). The average value of the oxygen concentration parameter on the surface and in the near-surface region was: 21.5 (V s).
На основании полученных ранее результатов по определению износостойкости твердосплавных режущих пластин (Тмин) и значений параметра, характеризующего содержание кислорода на поверхности и в приповерхностных слоях (SВ·с) строится график зависимости «износостойкость - Т - интегральный параметр концентрации кислорода на поверхности и в приповерхностной области - S».Based on the results obtained earlier on determining the wear resistance of carbide cutting inserts (T min ) and the values of the parameter characterizing the oxygen content on the surface and in the near-surface layers (S В · с ), a graph of the dependence “wear resistance - T is an integral parameter of the oxygen concentration on the surface and in surface area - S ".
На фиг. 1 представлена зависимость износостойкости режущих пластин из Т15К6 группы применяемости Р, соответственно, для выборок 1 и 2 при обработки ими углеродистой стали 45 от концентрации аккумулированного их поверхностью и приповерхностной структурой кислорода. Для осуществления прогнозирования износостойкости у твердосплавных режущих пластин в последующей текущей, (изготовленной или полученной) и предназначенной для потребления партии инструментальных образцов, производят испытание только величины концентрации аккумулируемого их поверхностью и приповерхностной областью кислорода. Так, например, при прогнозировании износостойкости у очередной партии твердосплавных режущих пластин группы применяемости Р на атомно-эмиссионном спектрометре GD-Profiler- 2 были получены следующие значения интегрального параметра концентрации кислорода (S) на поверхности и в приповерхностной области для твердосплавных пластин: 20,1; 21,2; 22,4; 22,8; 24,0; 24,6; 25,4; 26,4; 29,0; 29,3 (В·с). Среднее значение из полученных данных составило 24,5 (В·с). В соответствии с вышеприведенными формулами определяют aЭ и bЭ.In FIG. Figure 1 shows the wear resistance of cutting inserts from T15K6 of the applicability group P, respectively, for samples 1 and 2 during their processing of carbon steel 45 on the concentration of oxygen accumulated by their surface and the surface structure of oxygen. To predict the wear resistance of carbide cutting inserts in the subsequent current (manufactured or obtained) and intended for consumption batch of instrumental samples, only the concentration values of the oxygen accumulated by their surface and near-surface region are tested. So, for example, when predicting the wear resistance of the next batch of carbide cutting inserts of the applicability group P on the GD-Profiler-2 atomic emission spectrometer, the following values of the integral parameter of oxygen concentration (S) on the surface and in the near-surface region for carbide inserts were obtained: 20.1 ; 21.2; 22.4; 22.8; 24.0; 24.6; 25.4; 26.4; 29.0; 29.3 (V s). The average value from the obtained data was 24.5 (V · s). In accordance with the above formulas define a e and b e.
аЭ=0,63; bЭ=65,41,and E = 0.63; b e = 65.41
после этого определяют ТПТ then determine T PT
ТПТ=50,00 мин.T Fri = 50.00 min.
Таким образом, прогнозируемая средняя износостойкость у текущей партии твердосплавных режущих пластин составила 50,00 мин.Thus, the predicted average wear resistance of the current batch of carbide inserts was 50.00 min.
Контрольные испытания износостойкости в процессе резания на металлорежущем станке показали следующие результаты по износостойкости: 53,6; 53,0; 52,5; 52,0; 51,2; 51,6; 50,2; 49,4; 48,4; 48,2 мин. Среднее значение составило 51,00 мин.Control tests of wear resistance during cutting on a metal cutting machine showed the following results on wear resistance: 53.6; 53.0; 52.5; 52.0; 51.2; 51.6; 50.2; 49.4; 48.4; 48.2 minutes The average value was 51.00 minutes.
При осуществлении прогнозирования износостойкости для текущей партии твердосплавных инструментов отпадает необходимость в проведении дорогостоящих и трудоемких испытаний на износостойкость, проводимых на металлорежущих станках. Способ обладает высокой точностью прогноза. Это происходит вследствие тесной корреляционной связи между способностью твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р аккумулировать в своей структуре кислород и их износостойкостью при резании материалов, вызывающих интенсивный диффузионный износ. Степень корреляционной связи между концентрацией кислорода, содержащегося в структуре твердосплавных группы применяемости Р режущих инструментов и их износостойкостью составила r=0,90. Степень корреляционной связи между исходным параметром и износостойкостью режущих пластин в соответствии с прототипом составила r=0,78. При сравнении данных прогноза износостойкости, полученных в соответствии с прототипом, по предлагаемому способу, а также в результате контрольных экспериментальных исследований износостойкости, выполненных в процессе резания углеродистой стали 45, выявлено, что результаты, полученные в соответствии с прототипом, отличаются от контрольных испытаний на 15-20%, в то время как результаты, полученные по предлагаемому способу, отличаются лишь на 5-10%.When predicting wear resistance for the current batch of carbide tools, there is no need for expensive and time-consuming wear tests conducted on metal cutting machines. The method has a high forecast accuracy. This is due to the close correlation between the ability of carbide cutting tools of the applicability group P to accumulate oxygen in their structure and their wear resistance when cutting materials that cause intense diffusion wear. The degree of correlation between the concentration of oxygen contained in the structure of the carbide group of applicability P of cutting tools and their wear resistance was r = 0.90. The degree of correlation between the initial parameter and the wear resistance of the cutting inserts in accordance with the prototype was r = 0.78. When comparing the data on the forecast of wear resistance obtained in accordance with the prototype, according to the proposed method, as well as as a result of control experimental studies of wear resistance performed in the process of cutting carbon steel 45, it was found that the results obtained in accordance with the prototype differ from control tests by 15 -20%, while the results obtained by the proposed method differ only by 5-10%.
Таким образом, предлагаемый способ контроля - прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов может быть использован с достаточно высокой экономической эффективностью на предприятиях, изготавливающих или потребляющих твердосплавную продукцию.Thus, the proposed control method - predicting the wear resistance of carbide cutting tools can be used with sufficiently high economic efficiency in enterprises manufacturing or consuming carbide products.
Claims (1)
где aЭ и bЭ - постоянные коэффициенты:
из них:
ТПТ - текущая износостойкость в минутах для твердосплавных режущих инструментов, подвергшихся испытаниям, из прогнозируемой текущей партии твердосплавной продукции;
SПТ - текущее значение выбранного исходного параметра, полученное при контроле поверхностной и приповерхностной структуры твердосплавных режущих инструментов из текущей - прогнозируемой партии твердосплавной продукции;
Тэ1 и Тэ2 - износостойкость в минутах для двух независимых выборок сменных твердосплавных режущих инструментов из эталонной (предыдущей) партии твердосплавной продукции;
Sэ1 и Sэ2 - средние значения величин выбранного исходного параметра, полученные при контроле поверхностной и приповерхностной структуры для двух выборок образцов твердосплавных режущих инструментов из эталонной партии продукции, отличающийся тем, что с целью повышения точности прогнозирования износостойкости в качестве исходного параметра используют величину концентрации кислорода, содержащегося в поверхностной и в приповерхностной структуре твердого сплава, с уменьшением которой износостойкость твердосплавных режущих инструментов группы применяемости Р возрастает. A method for predicting the wear resistance of carbide applicability group P of cutting tools (cutting inserts) according to the selected initial parameter, including testing for changing the value of the initial parameter from the properties of the surface and near-surface structure formed during the manufacturing of carbide cutting material, carrying out standard wear tests in the process of cutting materials causing intense diffusion wear at an optimum or close to cutting speed, MAKING reference - correlation "wear - original parameter" statistical control only parameter values starting from the current batch of carbide cutting tools, wear forecast for the current batch of carbide tools based on a relationship
where a E and b E are constant coefficients:
of them:
T PT - the current wear resistance in minutes for carbide cutting tools that have been tested, from the projected current batch of carbide products;
S PT - the current value of the selected initial parameter obtained by monitoring the surface and surface structures of carbide cutting tools from the current - predicted batch of carbide products;
Te 1 and Te 2 - endurance in minutes for two independent samples replaceable carbide cutting tool from the reference (previous) Party carbide products;
Sе 1 and Sе 2 are the average values of the selected initial parameter obtained by monitoring the surface and near-surface structure for two samples of carbide cutting tools from a reference batch of products, characterized in that in order to increase the accuracy of prediction of wear resistance, the oxygen concentration is used as the initial parameter contained in the surface and subsurface structure of a hard alloy, with a decrease in which the wear resistance of carbide cutting tools O group applicability P increases.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014123069/28A RU2567019C1 (en) | 2014-06-05 | 2014-06-05 | Method of forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014123069/28A RU2567019C1 (en) | 2014-06-05 | 2014-06-05 | Method of forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2567019C1 true RU2567019C1 (en) | 2015-10-27 |
Family
ID=54362464
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014123069/28A RU2567019C1 (en) | 2014-06-05 | 2014-06-05 | Method of forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2567019C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2698490C1 (en) * | 2018-11-28 | 2019-08-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of prediction of wear resistance of hard alloy cutting tools |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6732056B2 (en) * | 2000-05-15 | 2004-05-04 | Prometech Gmbh | Method and device for monitoring the wear condition of a tool |
| RU2358838C1 (en) * | 2007-12-07 | 2009-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Method of forecasting cemented-carbide tool wear resistance |
| RU2370750C1 (en) * | 2008-07-28 | 2009-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Method of forecasting wear resistance of cemented-carbide cutting tool |
| RU2422800C1 (en) * | 2010-02-01 | 2011-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Procedure for prognosis of wear resistance of hard alloy cutting tools |
-
2014
- 2014-06-05 RU RU2014123069/28A patent/RU2567019C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6732056B2 (en) * | 2000-05-15 | 2004-05-04 | Prometech Gmbh | Method and device for monitoring the wear condition of a tool |
| RU2358838C1 (en) * | 2007-12-07 | 2009-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Method of forecasting cemented-carbide tool wear resistance |
| RU2370750C1 (en) * | 2008-07-28 | 2009-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Method of forecasting wear resistance of cemented-carbide cutting tool |
| RU2422800C1 (en) * | 2010-02-01 | 2011-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Procedure for prognosis of wear resistance of hard alloy cutting tools |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2698490C1 (en) * | 2018-11-28 | 2019-08-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of prediction of wear resistance of hard alloy cutting tools |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Aeschlimann et al. | Transport and dynamics of optically excited electrons in metals | |
| Stépán et al. | Time-resolved measurement of surface diffusion induced by femtosecond laser pulses | |
| Ichibayashi et al. | Ultrafast carrier relaxation in Si studied by time-resolved two-photon photoemission spectroscopy: intravalley scattering and energy relaxation of hot electrons | |
| Zafra et al. | Comparison of hydrogen diffusivities measured by electrochemical permeation and temperature-programmed desorption in cold-rolled pure iron | |
| Hatano et al. | Measurement of deuterium and helium by glow-discharge optical emission spectroscopy for plasma–surface interaction studies | |
| Wolf et al. | Geminate exciton fusion fluorescence as a probe of triplet exciton transport after singlet fission | |
| Kanzaki et al. | Photon-stimulated desorption of neutrals from silver and alkali halides | |
| RU2567019C1 (en) | Method of forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| RU2541388C1 (en) | Procedure for prognosis of wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| RU2422800C1 (en) | Procedure for prognosis of wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| Staab et al. | Positron lifetime measurements for characterization of nano-structural changes in the age hardenable AlCuMg 2024 alloy | |
| RU2569901C1 (en) | Forecasting of carbide cutting tool wear resistance | |
| RU2534730C1 (en) | Procedure for forecast of wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| Ren et al. | Surface Photocatalysis-TPD Spectrometer for Photochemical Kinetics | |
| RU2251095C1 (en) | Method of predicting wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| Li et al. | Compositional depth profiles of the type 316 stainless steel undergone the corrosion in liquid lithium using laser-induced breakdown spectroscopy | |
| Alberici et al. | Deuterium release rates in aC: D-layers during oxygen attack | |
| Ramezani et al. | An empirical study of electrode degradation in gliding arc discharge | |
| Hussein et al. | Effect of current mode on the plasma discharge, microstructure and corrosion resistance of oxide coatings produced on 1100 aluminum alloy by plasma electrolytic oxidation | |
| Gunawardane et al. | Auger electron spectroscopy | |
| McLachlan et al. | 40.81-eV photoelectron study of Cu, Ag, and Au surfaces | |
| RU2540444C2 (en) | Forecasting of carbide tool durability | |
| Niemietz et al. | Electronic relaxation in Ag nanoclusters studied with time-resolved photoelectron spectroscopy | |
| RU2591874C1 (en) | Method for prediction of wear resistance of hard alloy cutting tools | |
| RU2584275C1 (en) | Method for prediction of wear resistance of hard alloy cutting tools |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160606 |