ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl

УДК 621.7.044.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ

МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА

А.Г. ОВЧАРЕНКО, доктор техн. наук, профессор,

А.Ю. КОЗЛЮК, канд. техн. наук, доцент,

М.О. КУРЕПИН, аспирант,

(БТИ Алт ГТУ, г Бийск),

А.Г. ТЮРИН, канд. техн. наук, доцент,

Д.С. ТЕРЕНТЬЕВ, аспирант

(НГТУ, г Новосибирск)

Статья поступила 30 августа 2011 года

Овчаренко А.Г. - 659305, Бийск, ул. Трофимова, 27, Бийский технологический институт Алтайского государственного технического университета, e-mail: pbuk@bti.secna.ru

Предложен способ повышения износостойкости режущего инструмента из твердого сплава Т15К6, основанный на воздействии импульсного магнитного поля. Максимальное снижение остаточных напряжений в твердых сплавах Т15К6 обеспечивается предварительным нагревом образцов током высокой частоты (ТВЧ) до температуры 600 °С. Микротвердость твердого сплава Т15К6 после комбинированной магнитно-импульсной обработки (КМИО) увеличивается на 1100 МПа.

Ключевые слова: магнитно-импульсная обработка, остаточные напряжения, микротвердость, режущий инструмент, твердый сплав, упрочнение поверхностного слоя.

Введение

В настоящее время одной из перспективных технологий поверхностного упрочнения твердых сплавов является комбинированная магнитно -импульсная обработка (КМИО). КМИО основана на воздействии импульсного магнитного поля высокой напряженности на предварительно нагретую ТВЧ обрабатываемую поверхность [1, 2]. Известно, что магнитно-импульсная обработка способствует повышению физико-механических свойств обрабатываемой поверхности и уменьшению остаточных напряжений в структуре твердого сплава. В связи с этим целью исследования является определение влияния КМИО на физико-механические свойства твердых сплавов, определяющие износостойкость твердосплавного инструмента.

Для достижения цели необходимо установить влияние температуры предварительного нагрева, как одного из основных технологических параметров КМИО на изменение остаточных напряжений и микротвердости, а также на фазовый состав твердого сплава.

Методика проведения исследований

В качестве объекта исследования использовались образцы, изготовленные из сменных многогранных пластин твердого сплава Т15К6, так как данный сплав является одним из самых широко применяемых при металлообработке.

Многостадийная обработка образцов включала следующие операции:

1. Предварительный нагрев образца током высокой частоты (ТВЧ) в комбинированном индукторе.

2. Обработка образца импульсным магнитным полем.

3. Выдержка образца на неметаллической поверхности 24 ч.

Образцы в процессе обработки жестко закреплялись относительно концентратора. Величина зазора между обрабатываемой поверхностью и рабочей поверхностью концентратора составляла 1 мм, что гарантировало отсутствие электрического пробоя.

Различная масса образцов вызвала необходимость в применении предварительной тарировки нагревательной установки. Тарировка проводилась с целью определения времени нагрева до рабочей

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕ,

температуры. Данная процедура выполнялась с применением хромель-алюмелевого термоэлектрического преобразователя ТП-0188 (Тип К, ГОСТ 6616-94), закрепленного на поверхности образцов. Определялось изменение температуры нагрева образца от времени. При помощи построенного тарировочного графика определялось время работы установки ТВЧ, необходимое для нагрева образцов до рабочей температуры.

Обработка образцов проводилась единичным импульсом магнитного поля длительностью -0,007 с. Расчетное максимальное амплитудное значение напряженности магнитного поля составило Нтах= 3,95-106А/м. Расчетное значение напряженности импульса магнитного поля индуктора подтвердилось после измерения индукционным датчиком, совмещенным через интегрирующую цепочку с осциллографом.

Выдержка образцов на неметаллической подложке проводилась с целью завершения в структуре металла превращений 1-го и 2-го рода и уменьшения избыточной энергии. Время выдержки обработанных образцов составило 24 ч [3]. По окончании выдержки подготавливались микрошлифы обработанных образцов для проведения дюрометрических испытаний, а также металлографических и рентгено-структурных исследований.

Определение остаточных напряжений между карбидной и металлической составляющими сплава Т15К6 с помощью рентгеновской дифрактоме-трии является сложной задачей. Это обусловлено

Расчет суммы главных напряжений в анализируемой плоскости образца

Номер образца 1 (Контрольный) 2 3 4

Температура нагрева, °С - 400 600 800

Величина растягивающих остаточных напряжений, МПа 1000 900 600 1050

Рис. 1. Рефлекс карбида вольфрама

изменением параметров элементарной ячейки ко -бальта при растворении в нем примесных атомов. В связи с этим расчет напряжений проводили с использованием фазы карбида вольфрама ^С). Упругие постоянные карбида вольфрама были приняты условно и обобщены (для поликристаллического материала). Анализ напряжений проводили по данным позиции пика карбида вольфрама (рис. 1), полученным путем прецизионной съемки дифракционных картин с анализируемой плоскости образца. Исследование образцов проводилось с помощью рентгеновского дифрактометра АКЬ Х'ТЯА.

В работе проведен приближенный расчет суммы главных напряжений в анализируемой плоскости образца. Полученные значения говорят о том, что в материале преобладают растягивающие напряжения, которые возникли вследствие спекания инструмента из твердого сплава (см. таблицу).

Результаты исследования

Согласно данным, представленным в таблице, минимальные остаточные напряжения растяжения наблюдаются в образцах, у которых температура предварительного нагрева составила 600 °С.

Микротвердость поверхности и распределение микротвердости по глу-бине обработки определялись в соответствии с ГОСТ 25172-82 на микротвердомере ^ЫрейОгоир 402МУБ. Исследованные образцы твердого сплава характеризовались высокими значениями микротвердости. Построение гистограмм микротвердости контрольного и обработанного при температуре 600 °С образцов (рис. 2) показало, что распределение микротвердости является в большинстве случаев близким к нормальному закону распределения. Это обстоятельство свидетельствует о

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Чм

Рис. 2. Гистограмма распределения микротвердости образцов твердого сплава: контрольного (Т15К6-К) и обработанного (Т15К6-600)

том, что структура образцов твердого сплава состояла из менее твердой матрицы с включениями более твердых фаз карбидов. Согласно величине смещения пика распределения микротвердость образцов твердого сплава Т15К6 после КМИО увеличилась на 1100 МПа.

Фазовый состав образцов твердых сплавов определялся методом рентгеновской дифрактоме-

трии. Анализ дифрактограммы контрольного образца (рис. 3) позволил определить группу интенсивных пиков карбида вольфрама (WC) и карбида титана (TiC), распределенных в кобальтовой матрице. Кроме того, на дифрактограмме наблюдались менее интенсивные пики различных модификаций кобальтовой фазы - cub Co, hex Co и сложного карбида Co3W3C.

На рис. 4 приведена дифрак-тограмма образца твердого сплава Т15К6 после КМИО с предварительным нагревом 600 °С. Анализ дифрактограммы позволил выявить отличительные особенности распределения различных модификаций кобальтовой фазы - кубической cub Co и гексагональной hex Co [4]. Подобное поведение объясняется возможным уменьшением фазы hex Co за счет изменения напряженного состояния и возникновения магнито-стрикционных напряжений при КМИО.

Полученные результаты согласуются с ранее проведенными испытаниями твёрдосплавного инструмента на износостойкость [5] и частично разъясняют механику упрочнения при КМИО.

40.0 50.0 60.0 70.0 00.0 90.0

Рис. 3. Дифрактограмма контрольного образца твердого сплава марки Т15К6

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Sample IB: Sample name: Temp: 25.0'С

Date: 05/19/10 14:35 Step : 0.030е Integration Time: 6.000 sec Range: 30.000 100.000° step scan Rate: 0.5D0 [°/«iiii]

Vert. Scale Unit: [CP5J Hers. Scale Unit; [deg]

- 00-051-0939 00-032-1383 00-012-0806 00-005-0737

J cub Co Wbi L .J he* Co VLAi/H. JUH..«.14 /rL^J wJ wi 1 l^Uj^njJ^^

30.0 120.

30.0 120_

00-005-0127

Рис. 4. Дифрактограмма обработанного образца твердого сплава марки Т15К6

Выводы

1. Комбинированная магнитно-импульсная обработка (КМИО) способствует уменьшению остаточных напряжений в структуре твердого сплава. Максимальное снижение остаточных напряжений растяжения обеспечивается предварительным нагревом образцов током высокой частоты до температуры 600 °С и составляет 400 МПа.

2. Проведение КМИО твердого сплава Т15К6 с предварительным нагревом до 600 °С способствует повышению микротвердости поверхностного слоя на 1100 МПа.

3. КМИО с предварительным нагревом до 600 °С способствует изменению распределения модификаций кобальтовой фазы в сплаве в сторону увеличения кубической.

Список литературы

1. Патент РФ №2339704. А.Г. Овчаренко, А.Ю. Коз-люк. Способ комбинированной магнитно-импульсной обработки поверхностей инструментов и деталей машин / Бюл. № 33, 2008. - 6 с.

2. Овчаренко А.Г., Козлюк А.Ю. Эффективная магнитно-импульсная обработка режущего инструмента / Обработка металлов. - 2009. - № 1. - С. 4-7.

3. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. - М.: Машиностроение, 1989. -112 с., ил.

4. Юм-Розери В. Введение в физическое металловедение. - М.: Металлургия, 1965. - 205 с.

5. Овчаренко А.Г., Козлюк А.Ю., Курепин М.О. Повышение износостойкости пластин из твердого сплава / Обработка металлов. - 2010. - № 2. - С. 13-15.

The investigation of effect combined magnetic pulse treatment on quality hardmetal tools

A.G. Ovcharenko, A.YU. Kozluk, M.O. Kurepin, A.G. Tyurin, D.S. Terentiev

A method for increasing wear resistance of cutting tools from hardmetal T15K6 based on a pulsed magnetic field. The maximum reduction of internal residual stresses in hardmetal T15K6 provides pre-heating of the samples with high frequency to a temperature of 600 °C. Microhardness of the hardmetal after combination of magnetic-pulse treatment has increased to 1100 psi.

Key words: magnetic pulse treatment, residual stresses, microhardness, cutting tools, hardmetal, hardening of the surface