Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

Ягмуров М. А., Сидоренко С. А., Ющенко В. А., Пинахин А. И.

Северо-Кавказский федеральный университет, Россия

Влияние метода объёмного импульсного лазерного упрочнения на металлорежущий инструмент из твёрдого сплава

В настоящее время широко используются твердосплавные режущие инструменты при изготовлении и ремонте машин и сооружений. Для экономии дефицитных дорогостоящих инструментальных материалов (вольфрам, тантал, титан и др.) применяют различные методы упрочнения.

В Северо-Кавказском федеральном университете разработан метод объемного импульсного лазерного упрочнения (ОИЛУ) инструментальных материалов, который заключается в локальном воздействии на упрочняемый материал лазерного импульса высокой энергии (200 – 400 Дж). В результате этого вследствие быстрого нагрева, возникновения плазмы и испарения материала в месте облучения, вглубь его начинает распространяться упругая ударная волна, что было подтверждено результатами рентгеноструктурного анализа и тензометрии (рисунки 1, 2). Прохождение этой волны и приводит к изменениям микроструктуры и локальному объемному упрочнению материала (до 30 мм во всех направлениях от места воздействия лазерного луча) (рисунок 3).

Рисунок 1 – Схема расположения датчиков на образце из твердого сплава Т5К10

Рисунок 2 – Зависимость величины относительной деформации твердого сплава Т5К10 от расстояния от места облучения при плотности энергии импульса 100 Дж/мм², диаметре луча лазера 2,0 мм: а – продольное направление; б – поперечное направление

Рисунок 3 – Схема процессов, развивающихся в материале при ОИЛУ

ОИЛУ твердосплавных режущих инструментов проводилось на лазере ГОС1001 при следующих режимах: длительность импульса – 0,8·10^-3 с, диаметр луча м, плотность полезной энергии импульса 50 – 400 Дж/мм², количество импульсов – 1. Режимы упрочнения оптимизированы в зависимости от марки твердого сплава, геометрии режущего инструмента и условий работы.

Лабораторные исследования твердых сплавов марок ВК4, ВК6, ВК8, Т5К10, Т15К6, ТТ20К9, КНТ-16, прошедших ОИЛУ, показали увеличение их прочности на изгиб в среднем в 1,2 раза [1], повышение абразивной износостойкости в среднем в 1,3 раза [2]. Результаты лабораторных исследований позволяют говорить о том, что зависимость прочности на изгиб и интенсивности изнашивания от режимов ОИЛУ имеет ярко выраженный экстремум. Это соответствует принятым закономерностям при механическом упрочнении материалов, т. е. значения оптимальных режимов соответствуют наиболее приемлемой степени дефектности структуры. Полученные результаты подтверждаются ранее полученными данными рентгеноструктурного анализа (рисунок 4).

Рисунок 4 – Изменение ширины линий карбида вольфрама по длине образца твердого сплава ВК8 (d = 2,0 мм): 1 – исходные образцы; 2 – Е = 204 Дж/мм²; 3 – Е = 102 Дж/мм²; 4 – Е = 306 Дж/мм²

На рисунке 4 показаны результаты рентгеноструктурного анализа, которые подтверждают тесную связь между изменением степени дефектности структуры твердого сплава и факторами и режимами ОИЛУ. Для образцов, прошедших ОИЛУ при плотности энергии облучения 204 Дж/мм² (кривая 2), наблюдается максимальное изменение ширины рентгеновских дифракционных линий по сравнению с исходным образцом.

Получены положительные результаты при проведении производственных испытаний на ряде предприятий России и Украины. На основании производственных испытаний твердосплавных режущих инструментов установлено, что применение ОИЛУ способствует: повышению износостойкости режущих инструментов в среднем в 2,0 раза; уменьшению коэффициента вариации стойкости в среднем в 2,5 раза; повышению гамма-процентной стойкости в среднем в 2,4 раза; уменьшению количества выкрашиваний, поломок в зоне приработки инструмента в среднем в 2,7 раза. Оценка стойкости неупрочненных и упрочненных инструментов после каждого периода стойкости (переточки) позволяет судить об объемном характере упрочнения.

Литература:

1. Пинахин И.А., Черниговский В.А., Ягмуров М.А. Методологические основы применения метода объемного импульсного лазерного упрочнения (ОИЛУ) // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2014. № 5 (44). С. 35-39.

2. Пинахин И.А., Черниговский В.А., Сидоренко С.А., Ягмуров М.А., Константинов Е.В. Возбуждение ударной волны в материалах однократным лазерным импульсом // НаукаПарк. 2014. № 3 (23). С. 62-66.