CC BY
5
ЛИТЬЕ И МЕТАЛЛУРГИЯ 4 2022
137
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-4-137-138
Поступила 15.11.2022 Received 15.11.2022
О МЕТОДЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ЗВУКОВОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
В. Ю. СТЕЦЕНКО, г. Могилев, Беларусь. E-mail: stetsenko.52@bk.ru
ABOUT THE METHOD OF AERODYNAMIC SOUND HARDENING OF CERAMIC HARD ALLOYS
V. Yu. STETSENKO, Mogilev, Belarus. E-mail: stetsenko.52@bk.ru
Акустическое упрочнение сплавов является динамическим воздействием звуковой волны, повышающим плотность дислокаций. Известен метод ультразвукового упрочнения металлокерамических твердых сплавов (МТС), которое происходит за счет наклепа от воздействия ультразвука [1]. Наклеп, как известно, повышает плотность дислокаций в сплавах. При этом происходит искажение их кристаллических решеток, препятствующих перемещению дислокаций.
В последнее время появился новый акустический метод воздействия на свойства МТС, называемый «аэродинамическим звуковым упрочнением» (АДУ), который повышает ресурс работы режущего инструмента из МТС в условиях ударных нагрузок (прерывистого резания) [2, 3]. Метод АДУ осуществляется следующим образом: образцы из МТС нагревают до 0,3 от температуры спекания сплава и обрабатывают в специальной камере звуковой волной (звуком) частотой 140-170 Гц [3]. При этом, согласно расчетной формуле, лежащей в основе математической модели метода АДУ, на атом МТС при звуковых частотах 148, 159 Гц выделяется тепловая энергия (2,5-11,1) • 10-18 Дж [3]. При частоте 159 Гц для атома кобальта эта энергия составляет 5,3 • 10-18 Дж, а для атома вольфрама - 11,1 • 10-18 Дж [3]. Умножив эти значения удельных энергий на число Авогадро, равное 6,022 • 1023 моль-1, получим, что метод АДУ позволяет генерировать молярную тепловую энергию в образцах МТС в диапазоне 1500-6660 кДж/моль. Для кобальта и вольфрама эта энергия составляет 3180 и 6660 кДж/моль соответственно.
Молярные теплоты плавления кобальта и вольфрама составляют 16,3 и 35,3 кДж/моль соответственно [4]. Молярные теплоты сублимации (испарения) кобальта и вольфрама равны 429 и 853 кДж/моль соответственно [4]. Сравнивая эти значения с полученными методом АДУ, делаем вывод, что этот метод должен не упрочнять, а испарять МТС, причем с очень высокой интенсивностью. Но реально такое не происходит. Поэтому расчетная формула, лежащая в основе математической модели метода АДУ, ошибочна. Для ее вывода использовали следующее уравнение [3]:
«max = 2.R4 (1)
^ m
где «max - «максимальная частота волны, распространяющейся по цепочке атомов, способная привести к смещению атома»; F0 - сила, необходимая для смещения атома на межатомное расстояние a1; m - масса атома. Эти величины имеют следующие размерности: [ramax ] = c_1; [F0 ]=Н=кг • м • с-2 ; [ a1 ] = м; [m] = кг. Подставляя эти размерности в формулу, получаем:
-1 1
м 2 =-. (2)
2
Формула (2) абсурдна, поэтому уравнение (1) ошибочное. Это теоретически доказывает, что математическая модель метода АДУ ошибочна.
Метод АДУ должен оказывать динамическое воздействие на МТС и повышать в зернах кобальтовой связки плотность дислокаций. Но реально происходит обратное. Метод АДУ снижает плотность
138
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY 4 2022
дислокаций зерен кобальтовой связки МТС на 15,8-20,7 % [3]. Известно, что снижение плотности дислокаций связано не с упрочнением сплава, а с его разупрочнением [5]. При этом повышается вязкость сплава, в частности, его ударная вязкость. Это и происходит в методе АДУ: ударная вязкость образцов МТС (ВК8; Т15К6; Т5К10) повышается на 20-24 %. Поэтому метод АДУ не соответствует своему названию. Правильно его назвать «метод аэродинамического разупрочнения».
Но почему в методе АДУ происходит снижение плотности дислокаций, если происходит динамическое воздействие звуковой волной на МТС? Этого быть не может, потому что звук частотой 140-170 Гц обладает очень малой мощностью, недостаточной, чтобы осуществить пластическую деформацию сплава. Ультразвук такой способностью обладает, так как имеет по сравнению с обычным звуком на порядок большую частоту, а значит, и мощность звуковой волны [1].
Снижение плотности дислокации в зернах кобальтовой связки МТС происходит в результате нагрева образцов до температуры 0,3 от температуры их спекания. Реально процесс происходит при 320 °С [3]. Этого достаточно для снижения плотности дислокаций в зернах кобальта. Известно, что нагрев сплава с повышенной плотностью дислокаций (деформированных образцов) до 0,3 температуры плавления приводит к снижению плотности дислокаций и повышению пластичности и вязкости сплава [5]. Поэтому метод АДУ не оказывает воздействие на свойства МТС, а это результат термической обработки (возврата). При этом заметных изменений микроструктуры не наблюдается, что характерно для возврата.
Повышение ресурса работы режущего инструмента из МТС, обработанного методом АДУ, в условиях ударных нагрузок (прерывистого резания) происходит за счет снижения хрупкости МТС. Но это осуществляется благодаря увеличению ударной вязкости инструмента, вызванного не звуком, а термической обработкой (возвратом).
Таким образом, метод аэродинамического звукового упрочнения металлокерамических твердых сплавов, по сути, является термической обработкой (возвратом), широко применяемой в промышленности для снижения хрупкости заготовок из литых и спеченных сплавов, но без обработки звуком, который не влияет на их свойства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белоцкий А. В., В. Н. Виниченко, И. М. Муха. Ультразвуковое упрочнение материалов. Киев: Техника, 1980. 168 с.
2. Жигалов А. Н., В. К. Шелеп Теоретические основы аэродинамического звукового упрочнения твердосплавного инструмента для процессов прерывистого резания: монография. Могилев: МГУП, 2019. 213 с.
3. Жигалов А. Н. Теоретические и технологические основы аэродинамического звукового упрочнения твердосплавного инструмента для процессов прерывистого резания: дис. ... д-ра техн. наук. Минск, 2021. 378 с.
4. Свойства элементов. Ч. 1. Физические свойства: справ. / Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1976. 660 с.
5. Лахтин Ю. М., В. П. Леонтьева. Материаловедение: учеб. для вузов. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
REFERENCES
1. Belockij A. V., V. N. Vinichenko, 1 M. Muha. Ul'trazvukovoe uprochnenie materialov [Ultrasonic Hardening of Materials]. Kiev, Tehnika Publ., 1980, 168 p.
2. Zhigalov A. N., Sheleg V. K. Teoreticheskie osnovy ajerodinamicheskogo zvukovogo uprochnenija tverdosplavnogo instrumenta dlja processov preryvistogo rezanija [Theoretical foundations of aerodynamic sound hardening of carbide tools for interrupted cutting processes]. Mogilev, MGUP Publ., 2019, 213 p.
3. Zhigalov A. N. Teoreticheskie i tehnologicheskie osnovy ajerodinamicheskogo zvukovogo uprochnenija tverdosplavnogo instrumenta dlja processov preryvistogo rezanija [Theoretical and technological foundations of aerodynamic sound hardening of hard-alloy tools for interrupted cutting processes]. Minsk, 2021, 378 p.
4. Samsonova G. V. Svojstva jelementov. Fizicheskie svojstva [Element properties. physical properties]. Moscow, Metallurgija Publ., 1976, 660 p.
5. Lahtin Ju. M., V. P. Leont'eva. Materialovedenie [Materials Science]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990, 528 p.
