Точность работы автомобиля, самолета или скальпеля зависит от каждой детали. Чтобы грубая заготовка превратилась в идеально ровный вал или поршень, она проходит через станки с токарными резцами. Это небольшие пластины, которые срезают лишний металл, но из-за трения о сталь нагреваются до сотен градусов и быстро изнашиваются. Существующие методы их защиты несовершенны: термообработка придает твердость ценой появления хрупкости, а нанесение покрытий носит лишь поверхностный характер. Из-за этого инструменты быстро выходят из строя. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали метод радиационной модификации (обработки), который увеличивает срок службы резцов от 1,5 до 6 раз.
Статья опубликована в журнале «Journal of Friction and Wear». Исследование выполнено в рамках программы «Приоритет 2030».
Вы когда-нибудь задумывались, благодаря чему работает автомобиль, летит самолет или режет скальпель? В основе всего — точность каждой детали, из которых собраны эти механизмы. Малейшее несовпадение — и они дают сбой: вал не встает на место, поршень не двигается. Чтобы этого не случилось, каждый элемент проходит через станки. Именно там из грубой металлической заготовки вытачивают идеально ровную форму. И главными помощниками в этом деле являются токарные резцы.
Это небольшие пластины, которые крепятся на станке и слой за слоем срезают лишний металл с вращающейся заготовки, придавая ей нужную форму. В процессе работы режущая кромка взаимодействует со сталью с такой силой, что мгновенно нагревается до сотен градусов. Такие экстремальные условия работы приводят к необходимости ее частой замены. Следовательно, продление срока службы инструментов становится важнейшей задачей.
Сегодня для их защиты используют различные методы упрочнения, которые имеют некоторые ограничения. Термообработка позволяет сделать металл тверже, но делает его более хрупким. А нанесение защитных покрытий продлевает жизнь инструменту, но имеет лишь поверхностный характер.
Для производства это оборачивается ростом себестоимости. Из-за быстрого износа резцов заводы вынуждены тратить существенные средства на постоянную закупку нового инструмента.
Для решения этих проблем ученые Пермского Политеха разработали метод радиационной модификации (обработки) режущих инструментов, благодаря которому износостойкость резцов увеличивается от 1,5 до 6 раз.
Технология обладает всеми преимуществами существующих аналогов, однако в отличие от них воздействует не только на поверхность, но и на определенную глубину материала. Это одновременно позволяет снизить уровень внутренних напряжений (убрать дефекты структуры металла), обеспечивая при этом надежную и долгую работу инструмента.
Эффекты радиационной модификации металлов известны достаточно давно. Однако они не нашли широкого применения в промышленности. Хотя сам метод сейчас активно используется в других сферах — например, для радиационной стерилизации медицинских изделий или для улучшения характеристик полимеров.
— Главное преимущество данного способа — это использование гамма-излучения от источника кобальта-60. Это радиоактивный изотоп, широко применяющийся в промышленности для обработки полимерных материалов. Гамма-излучение, по сравнению с иными видами радиации обладает очень высокой проникающей способностью. Под действием радиации в кристаллической решетке металла происходят уникальные процессы упорядочивания. Это приводит к тому, что внутренние напряжения снижаются, а материал приобретает существенно повышенные свойства износостойкости, — рассказал Владимир Онискив, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Представьте, что кристаллическая решетка металла — это идеально уложенная кирпичная стена. Со временем и под нагрузкой в ней появляются трещинки, некоторые кирпичи выпадают, другие съезжают — возникают пустоты и напряжения. Это и есть внутренние дефекты.
Гамма-лучи проходят сквозь стену и заставляют атомы-«кирпичи» шевелиться. Выпавшие кирпичи возвращаются на свои места, заполняя пустоты. А те, что съехали, пододвигаются обратно. В итоге стена снова становится ровной и прочной без потери качества самого материала.
Для определения оптимальной дозы радиационного воздействия ученые провели серию экспериментов с дозами облучения — от 20 до 200 кГр, а также в разных газовых средах.
Ключевым результатом стало обнаружение оптимального диапазона. Ученые выяснили, что при малых дозах (до 50 кГр) запускаются процессы «залечивания» дефектов, а при увеличении до 200 кГр они начинают накапливаться заново. При этом твердость поверхности остается прежней — радиация не делает металл хрупким.
Исследователи испытали модифицированные резцы при токарной обработке конструкционных и нержавеющих сталей.
— В зависимости от выбранного режима обработки и материала заготовки износостойкость резцов возрастает от 1,5 до 6 раз. Эксперименты показали, что при точении конструкционной стали обычный резец изнашивался после 700 мм пути, в то время как модифицированный штатно отработал 1750 мм. В тестах с высокопрочной нержавеющей сталью обычный инструмент изнашивался практически вдвое быстрее, чем обработанный радиацией, — прокомментировал Владимир Онискив.
Применение данной разработки позволит собственникам заметно сократить расходы на инструмент, эффективнее обрабатывать детали и в конечном счете снижать их себестоимость. Это решение открывает новые возможности для повышения эффективности в области металлообработки, где проблема с быстрым износом дорогостоящего инструмента всегда актуальна.
Источник: Минобрнауки России
