ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Обработка титана сопряжена с трудностями, обусловленными его низкой теплопроводностью, высокой химической активностью и склонностью к интенсивному тепловыделению в зоне резания, что ускоряет износ инструмента и приводит к его преждевременному разрушению. Режущие инструменты из WC-Co широко применяются в подобных условиях; при этом микроструктурная стабильность, характер распределения связующего кобальта и его износостойкость в значительной мере определяют эксплуатационные характеристики инструмента. В настоящей работе исследовано влияние продолжительности выдержки при глубокой криогенной обработке (ГКО) на трибологические свойства и микроструктуру концевых фрез из WC-Co. Материалы и методы. Инструменты из WC-Co изучались в трех состояниях: без обработки, после ГКО в течение 24 ч и после ГКО в течение 36 ч. Криогенную обработку проводили при −196 °C с последующим отпуском при 150 °C в течение 2 ч. Микроструктуру оценивали методами оптической микроскопии (ОМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ) и энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) с акцентом на распределение зерен карбида вольфрама, непрерывность кобальтовой связки и пористость. Трибологические испытания выполняли на трибометре Ducom по стандарту ASTM G133; основными измеряемыми параметрами служили потери материала в процессе изнашивания и коэффициент трения. Результаты и обсуждение. Образец после 24-часовой ГКО показал наиболее равномерную мелкозернистую структуру WC, более гомогенное распределение кобальтовой связки по сравнению с необработанным образцом и меньшую пористость по сравнению с образцом после 36-часовой обработки. Указанные микроструктурные изменения обеспечили минимальные значения коэффициента трения (0,33) и потери материала в процессе изнашивания (0,138 г). Для необработанного образца коэффициент трения составил 0,40, потеря материала – 0,176 г, что выше соответствующих показателей обработанных образцов. Образец после 36-часовой ГКО занял промежуточное положение (коэффициент трения 0,37, потеря материала 0,157 г), это позволяет предположить снижение положительного эффекта криогенной обработки при увеличении продолжительности выдержки вследствие развития дефектов и микроструктурной неоднородности. Заключение. Установлено, что выдержка 24 ч является оптимальным режимом глубокой криогенной обработки для повышения микроструктурной стабильности, снижения трения и увеличения износостойкости режущих инструментов из WC-Co. Полученные результаты могут быть использованы для обоснованного выбора параметров криогенной обработки инструментов из WC-Co, применяемых при обработке труднообрабатываемых материалов, в частности титана.

1. Effect of cryogenic treatment on the microstructure and the wear behavior of WC–Co end mills for machining of Ti6Al4V titanium alloy / O.N. Celik, A. Sert, H. Gasan, M. Ulutan // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 95 (5–8). – P. 2989–2999. – DOI: 10.1007/S00170-017-1444-1.

2. Effect of deep cryogenic treatment on microstructure, mechanical properties and machining performances of coated carbide tool / B. Li, S. Zhang, T. Zhang, J. Zhang // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2019. – Vol. 41 (1). – DOI: 10.1007/S40430-018-1533-6.

3. Effects of deep cryogenic treatment on microstructure and properties of WC–11Co cemented carbides with various carbon contents / C.H. Xie, J.W. Huang, Y.F. Tang, L.N. Gu // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2015. – Vol. 25 (9). – P. 3023–3028. – DOI: 10.1016/S1003-6326(15)63929-2.

4. Experimental investigation of tool wear in cryogenically treated insert during end milling of hard Ti alloy / V. Sivalingam, J. Sun, B. Selvam, P.K. Murugasen, B. Yang, S. Waqar // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2019. – Vol. 41 (2). – DOI: 10.1007/S40430-019-1612-3.

5. Bhople N., Mastud S., Mittal R.K. Metallurgical and machining performance aspects of cryotreated tungsten carbide micro end mill cutters // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. – 2022. – Vol. 237 (3). – P. 492–502. – DOI: 10.1177/09544054221101765.

6. Mastud S., Bhople N., Mittal R.K. Performance analysis of uncoated, TiN coated and cryotreated micro tungsten carbide tools while micromilling of Ti–6Al–4V // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2022. – Vol. 24 (1–2). – P. 110–131. – DOI: 10.1504/IJMMM.2022.10044694.

7. Kursuncu B. Influence of cryogenic heat treatment soaking period and temperature on performance of sintered carbide cutting tools in milling of Inconel 718 // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. – 2020. – Vol. 92. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2020.105323.

8. Arunkarthikeyan K., Balamurugan K., Rao P.M.V. Studies on cryogenically treated WC–Co insert at different soaking conditions // Materials and Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 35 (5). – P. 545–555. – DOI: 10.1080/10426914.2020.1726945.

9. Varghese V., Ramesh M., Chakradhar D. Influence of deep cryogenic treatment on performance of cemented carbide (WC–Co) inserts during dry end milling of maraging steel // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 37. – P. 242–250. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.11.030.

10. An insight into microstructure and machining performance of deep cryogenically treated cemented carbide inserts / B.N. Sahoo, A. Mohanty, S. Gangopadhyay, K. Vipindas // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 819–831. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.09.001.

11. Arunkarthikeyan K., Balamurugan K. Studies on the impact of soaking time on a cryogenic processed and post-tempered WC–Co insert // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 44. – P. 1692–1699. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.11.869.

12. Microstructural transformation analysis of cryogenic treated conical rock cutting bits for mining applications / M. Chinnasamy, R. Rathanasamy, S.K. Palaniappan, S.K. Pal // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2022. – Vol. 110. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2022.105995.

13. Ozbek N. Effects of cryogenic treatment types on the performance of coated tungsten tools in the turning of AISI H11 steel // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9. – P. 9442–9456. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.03.038.

14. Mukkoti V.V., Sankaraiah G., Yohan M. Effect of cryogenic treatment of tungsten carbide tools on cutting force and power consumption in CNC milling process // Production & Manufacturing Research. – 2018. – Vol. 6. – P. 149–170. – DOI: 10.1080/21693277.2018.1436011.

15. Ak?nc?oglu S., Gökkaya H., Uygur I. The effects of cryogenic-treated carbide tools on tool wear and surface roughness of turning of Hastelloy C22 based on Taguchi method // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 82. – P. 303–314. – DOI: 10.1007/s00170-015-7356-z.

16. Wear behaviour of deep cryogenically treated coated tool during end milling / J.C. Sasi, J. Mathew, A. George, B. Kuriachen, P.B. Dhanish // SSRN. – 2024. – DOI: 10.2139/ssrn.4703707.

17. Next-generation tungsten carbide cutting bits through cryogenic treatment technique for superior rock cutting performance: An experimental study / M.P. Chinnasamy, B. Samanta, R. Kumar, R. Rathanasamy // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2024. – Vol. 125. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2024.106923.

18. Impact of cryogenic treatment on the performance of coated tungsten carbide inserts during machining of EN24 grade alloy steel / R. Prem Chand, T.V.S. Reddy, C. Anjinappa, B. Omprakash, A. Razak, A.W. Wodajo // Engineering Reports. – 2024. – Vol. 6. – P. e12839. – DOI: 10.1002/eng2.12839.

19. Dentin bond strength of dental adhesives functionalized with polyhedral oligomeric silsesquioxanes / J. Biermann, C.E. Bien, C. Lechte, P. Kanzow, A. Wiegand // Materials. – 2024. – Vol. 17 (6). – P. 1321. – DOI: 10.3390/ma17061321.

20. Premjarunan S., Chindaprasirt P., Chaysuwan D. Study on the effects of cryogenic treatment on WC–Co cemented carbides // Metals. – 2025. – Vol. 15 (3). – P. 297. – DOI: 10.3390/met15030297.

21. Effect of deep cryogenic treatment on the mechanical properties of ultrafine WC-Co composite / P. Mao, J. Peng, K. Chen, C. Zhou, J. Gao, X. Zhang, X. Xiao, X. Wu, R. Peng // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2026. – Vol. 134. – P. 107429. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2025.107429.

22. Gao Y., Wang Y., Chen Z. The effect of cryogenic treatment on the mechanical properties of coated cemented carbide tools // Materials Today Communications. – 2025. – Vol. 42. – P. 110245. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2025.110245.

23. Microstructural and tribological characterization of cryogenic treated WC–Co cutting bits under different holding times for rock cutting applications / M. Chinnasamy, R. Rathanasamy, S.K. Palaniappan, S.K. Pal, P. Muthuswamy, R.R. Korrayi, M.E. Uddin // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 33. – P. 4933–4950. – DOI: 10.1007/s11665-023-08291-9.