Введение к работе
Актуальность темы. Твердые сплавы представляют собой большой и перспективный класс материалов, нашедший применение во многих отраслях техники и, в особенности, в металлообрабатывающей промышленности. Повышение износостойкости твердосплавных инструментальных материалов -проблема, решению которой посвящена обширная исследовательская работа, представленная в ряде монографий. Проведенными исследованиями показаны технологические возможности модификации структуры и физико-механических свойств инструментальных твердых сплавов традиционными методами: термообработкой, поверхностным пластическим деформированием и т.д.. Развитие современных методов технологической обработки с применением концентрированных потоков энергии открывает новые возможности упрочнения твердых сплавов.
К настоящему времени имеется ряд экспериментальных результатов,
демонстрирующих возможности улучшения эксплуатационных характеристик
твердых сплавов системы WC-Co методами импульсного лазерного
воздействия, ионной имплантацией и обработкой мощным ионным пучком
(МИП). Эффективность модифицирующей обработки мощным ионным пучком
подтверждена исследованиями, проведенными на различных классах
материалов и обусловлена формированием в поверхностных слоях металлов и
сплавов уникальных сильнонеравновесных структурно-фазовых состояний,
диапазон существования которых определяется режимами
высокоэнергетического воздействия и структурными особенностями
модифицируемого материала, а также широким масштабом модификации структуры - от кристаллической до зеренной.
При этом наряду с положительными результатами, обеспечение требуемого комплекса физико-механических свойств инструментальных материалов в ряде случаев труднодостижимо из-за снижения пластичности твёрдых сплавов, отрицательно сказывающееся на их эксплуатационных характеристиках. Расширение технологических возможностей упрочняющей обработки МИП связано с использованием послерадиационного термического воздействия.
В связи с этим, становится необходимым изучение структурно-фазовых превращений в приповерхностных слоях облученных МИП твердых сплавах для прогнозирования их физико-механических свойств, а также исследование возможности поверхностного упрочнения с применением комплексного воздействия (МИП + термообработка).
Цель работы. Разработка модели модификации твердосплавных инструментатаных материалов под воздействием мощных ионных пучков и последующей термообработки на основе исследования процессов радиационно-стимулированного структурообразования, позволяющей производить целенаправленную упрочняющую обработку материалов для технологических целей.
Научная новизна. Впервые установлены зависимости основных параметров тонкой структуры фазовых составляющих вольфрамосодержащих твердых сплавах WC-Co от условий облучения МИП в диапазоне плотностей ионного тока J = 50 -150 А'см2 при вариации числа импульсов воздействия от / до 5. Изучены структурно-фазовые превращения в приповерхностных слоях твердых сплавов при послерадиационной термообработке и показан релаксационный характер наблюдаемых термически активируемых процессов.
Предложена качественная модель формирования структуры облученных МИП твердых сплавов, основанная на протекании в приповерхностных слоях материала рекристаллизационно-динамических процессов, обусловленных режимами ионного воздействия и процессами физико-химических взаимодействий WC и Со в области межфазных границ твердого сплава. На основе предложенной модели объясняется наблюдаемая реорганизация структуры твердых сплавов: формирование новой зеренной структуры, фазовые превращения, субструктурные изменения в фазовых составляющих материала.
Показано, что при воздействии МИП наблюдаемые упрочняющие и разупрочняющие эффекты являются суммарным результатом трех факторов: высокой степенью дефектности карбида вольфрама, упрочнением (как деформационным, так и дисперсионным) Co-фазы, формирующимися при облучении растягивающими напряжениями. В результате комплексной обработки, помимо релаксации растягивающих напряжений, поверхностная структура твердых сплавов обладает повышенной прочностью за счет выделений новых фаз в сочетании с сохраняющимся деформационным упрочнением зерен карбида вольфрама. Лабораторными и производственными испытаниями износостойкости модифицированного комплексной обработкой сплава ВК8 в условиях резания различных сплавов показано, что совокупность структурных изменений после комплексной обработки способствует повышению эксплуатационных характеристик инструментального материала в условиях высоких контактных напряжений и температур
Практическая значимость и реализация исследований, представленных в работе заключается в том, что:
-
разработанная модель модификации может служить основой для дальнейшего развития методов высокоэнергетического упрочнения твердых сплавов в сочетании с другими способами обработки, а также для создания упрочняющих технологий материалов триботехнического назначения;
-
разработаны рекомендации целенаправленного модифицирования физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик твердосплавных материалов инструментального назначения МИП в технологических целях;
3) полученные результаты использованы при разработке комплексного
метода упрочнения твердых сплавов МИП с последующей термообработкой,
что подтверждено актами производственных испытаний.
Защищаемые положения.
-
Закономерности изменения параметров субструктуры твердых сплавов системы WC-Co и напряженного состояния поверхностных слоев в зависимости от режимов воздействия мощными ионными пучками, а также после комплексной обработки с использованием послерадиационного отжига.
-
Модель комплексной модификации твердых сплавов, качественно объясняющую формирование поверхностных структур с 'учетом физико-механических и теплофизических характеристик фазовых составляющих композиционного материала.
-
Установленные эффекты модификации структуры, определяющие повышение физико-механических свойств твердых сплавов после комплексной обработки.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на II Международном симпозиуме «Конверсия науки - международному сотрудничеству» (Томск, 1997), Международной научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 1997), Российской научно- технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, 1997), Всероссийской научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» (Тула, 1997), Международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» (Волгоград, 1997), IV Межгосударственном семинаре «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1997), II Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997), 10th International Conference «Surface Modification of Metals by Ion Beams», (USA, Gatlinburg, 1997).
Работа в полном объеме докладывалась на научном семинаре по проблемам модификации поверхности твердых тел ИФГГМ СО РАН (г. Томск), научно-техническом семинаре НИИ ЯФ ТПУ (г. Томск), семинарах кафедры «Радиационной физики и материаловедения» ОмГУ (г. Омск), объединенном научно-техническом семинаре физического факультета ОмГУ и Института сенсорной микроэлектроники СО РАН (г. Омск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложешія. Работа изложена на 108 страницах основного текста, содержит 54 рисунка, 21 таблицу. Список литературы содержит 93 наименования. Общий объем работы 175 страниц.
