Химическое сродство абразивного и обрабатываемого материалов

металлоконструкций и сооружений без применения методов разрушающего контроля.

Литература

1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005. 1072 с.

2. Halabi Y. S., Sa Z., Hamdan F. et al. Modeling Adaptive Degraded Document Image Binarization

and Optical Character System // European Journal of Scientific Research. 2009. Vol. 28, N 1. P. 14-17.

3. ГОСТ 5639—82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. Технические условия. Взамен ГОСТ 5639-65; введ. 01.01.83. М.: Изд-во стандартов, 2003. 38 с.

4. Graham R. L. An Efficient Algorithm for Determining the Convex Hull of a Finite Planar Set // Information Processing Letters. 1972. N 1. P. 132-133.

УДК 621.922

Химическое сродство абразивного и обрабатываемого материалов

Д. В. Ардашев1

Введение

Процесс шлифования является одним из наиболее сложных процессов механической обработки и представляет собой силовое воздействие большого количества абразивных зерен на обрабатываемую поверхность, диспергирование элементарных объемов металла и их удаление из зоны резания. Однако взаимодействие абразивного и обрабатываемого материалов имеет не только механический характер. В зоне контакта единичного абразивного зерна с обрабатываемым материалом протекает несколько разнородных процессов, некоторые из них близки к микрометаллургическим: взаимная диффузия химических элементов обрабатываемого и абразивного материала, адгезия, приводящая к местному схватыванию отдельных площадок рабочей поверхности зерна с частицами шлифуемого материала, химическое взаимодействие, приводящее к интенсивному образованию третьих соединений. Эти предположения были высказаны и в дальнейшем исследованы разными учеными: Г. В. Бокуча-вой и Т. Н. Лоладзе [1, 2], Е. Н. Масловым [3], Н. И. Богомоловым, Ю. А. Казимирчиком, Г. И. Саютиным, И. В. Харченко и Б. К. Куликом [4], В. А. Носенко, Н. Ф. Ларионовым [5],

1 © Д. В. Ардашев, 2011.

А. В. Славиным [6] и др. и в настоящее время не вызывают сомнений. Отличительной особенностью процессов абразивной обработки является прежде всего то, что работу по удалению припуска с обрабатываемой поверхности совершают отдельные зерна, имеющие разную геометрию, различным образом расположенные внутри шлифовального круга. Стохастическое расположение абразивных зерен в круге приводит к неравномерности их распределения на поверхности, вследствие чего часть абразивных зерен, находящихся на рабочем профиле круга, вообще не участвует в снятии припуска, другие зерна контактируют с обрабатываемой поверхностью лишь вершинами, и только порядка 10 % от общего числа зерен круга имеют полноценный контакт на площадке затупления с обрабатываемой поверхностью и совершают работу по удалению единичной стружки. [7]. Относительно последних Т. Н. Лоладзе и Г. В. Бокучава [1, 2] высказали предположение, что каждое абразивное зерно, участвующее в снятии единичной стружки, своей режущей кромкой сначала производит только трение, а впоследствии пластический сдвиг элементарного объема металла, что является резанием.

В настоящей статье ставится задача на более глубоком уровне оценить физико-химические процессы, протекающие в зоне контакта абразивного и обрабатываемого материалов.

о)

4 /

1 2 34 5

Рис. 1. Исследуемые исходные образцы сталей (х800): а — Сталь 45; б — 40ХН; в — 38ХС; г — 12ХН3А

Методика и материалы проведения исследований

Исследование выполнялось с применением электронного сканирующего микроскопа ^М 6460ЬУ (JEOL, США), энергодисперсионной приставки, позволяющей провести полный качественный и количественный химический анализ в выбранных точках и получить карты распределений элементов по площади и вдоль выбранной линии.

В качестве исследуемых образцов были изготовлены кубики из белого электрокорунда. Кубики вводились в контакт с плоскими образцами из сталей различных марок, помещались в печь, нагревались до 1000 °С, выдерживались и охлаждались на воздухе. В качестве исследуемых марок сталей были выбраны Сталь 45, 40ХН, 38ХС, 12ХН3А. Часть образцов, полученных в результате спекания электрокорунда со сталью, была обработана вручную на алмазно-заточном станке и помещена под микроскоп в целях получения первичной информации (рис. 1).

Затем на специальном станке изготавливались поперечные шлифы образцов, в дальнейшем на них напылялось платиновое покрытие, шлифы исследовались под микроскопом. Каждый образец подвергался качественному химическому анализу поперек зоны контакта материалов, вдоль линии, затем в характерных точках на этой линии исследовался количественный химический состав материалов.

Результаты исследований

Рис. 1 привлекает внимание прежде всего тем, что между абразивным и обрабатываемым материалами существует ярко выраженная прослойка — третье соединение, явившееся,

Рис. 2. Картирование и точечный химический анализ образцов стали: а — Сталь 45; б — 40ХН; в — 38ХС; г — 12ХН3А:

1 — железо; 2 — алюминий; 3 — кислород. По горизонтали отмечены номера точек, в которых брался точечный химанализ в соответствии с табл. 1

по-видимому, результатом физико-химических процессов, протекающих в зоне контакта материалов. Исключение, пожалуй, составляет сталь 12ХН3А, однако дальнейшее исследование показало наличие прослойки, лишь менее выраженной визуально.

Результаты химического анализа шлифов (точечного и картирования) приведены на рис. 2. Характерной особенностью для всех исследуемых образцов является наличие серой зоны — вещества, образовавшегося в результате взаимодействия абразивного и обрабатываемого материалов. Эта зона особенно выражена на образцах из Сталей 45 и 40ХН (см. рис. 2, а, б), на образцах из стали 38ХС и 112ХН3А (см. рис. 2, в, г) серая зона также присутствует, однако в первом случае она достаточно узка, а во втором представляет собой бесформенную неоднородную зону с яркими белыми прожилками железа и темными вкраплениями алюминия. Численные характеристики точечного химического анализа приведены в табл. 1.

Анализ и обработка полученных результатов

По мнению Т. Н. Лоладзе [1], в контакте «режущий материал — обрабатываемый материал» при высоких скоростях и температурах резания возможно протекание либо гетеродиффузии, результатом которой является твердый раствор с решеткой растворителя, либо реактивной диффузии, приводящей к протеканию химической реакции

Таблица 1

Концентрация химических элементов в разных точках, %

Марка стали Элемент Номер точки

1 2 3 4 5 6

Сталь 45 Ее 81,97 81,76 77,64 34,89 1,03 0,54

А1 0,49 0,57 2,59 32,71 55,23 55,73

02 17,54 17,67 19,77 32,40 43,74 43,73

40ХН Ее 79,22 80,99 78,52 45,71 1,26 0,73

А1 0,54 0,60 2,34 26,87 54,31 55,57

02 19,14 18,47 20,18 27,42 44,43 43,70

38ХС Ее 81,63 81,06 79,89 32,47 1,64 0,68

А1 0,47 0,67 1,16 35,16 54,51 55,72

Оя 17,90 18,27 18,95 32,37 43,85 43,61

12ХН3А Ее 81,83 82,23 76,28 24,01 1,34 0,53

А1 0,62 0,62 3,96 47,47 57,34 56,51

02 17,55 17,15 19,75 28,52 41,32 42,96

и образованию соединения на границе контактирующих материалов. Данное утверждение положено в основу настоящего исследования: в процессе шлифования при средних температурах 800-1200 °С в зоне контакта абразивного и обрабатываемого материалов интенсивно протекают диффузионные процессы, причем заканчивающиеся преимущественно химической реакцией — твердофазным синтезом соединения, состоящего из элементов обрабатываемого и абразивного материалов. Количественное содержание последнего в образованной прослойке определяет интенсивность и степень износа абразива.

Проанализируем приведенные в табл. 1 величины концентраций химических элементов в различных точках. Характерными точками являются 1 и 6: в этих крайних точках значение концентраций алюминия в стали 12ХН3А достигает 0,62 %, а железа в электрокорунде — 0,73 %. Учитывая, что расстояние между точками 1 и 6 составляет 25 мкм, говорят об интенсивности взаимодействия основных компонентов веществ — алюминия и железа. Характерной является и точка 4, в ней концентрации алюминия и железа примерно одинаковы, точка 4 располагается в середине диффузионной прослойки.

Одним из наиболее важных факторов, отличающих шлифование от других методов механической обработки, является кратковременность контакта отдельного абразивного зерна с обрабатываемым материалом — порядка 2 • 10- с. Однако, как это ни странно, именно этот факт в значительной степени повышает вероятность протекания диффузионных и реакционных процессов в зоне шлифования: наибольшая скорость взаимного растворения контактирующих веществ наблюдается

при значительном сокращении времени их контакта. Это объясняется прежде всего значительным градиентом концентраций одного контактирующего вещества в другом: в электрокорунде отсутствует железо, а в рассматриваемых сталях нет алюминия.

Многочисленными исследованиями доказано, что увеличение толщины х диффузионной прослойки как при гетеро-, так и при реактивной диффузии протекает по параболическому закону: х = / %, где П — коэффициент диффузии; х — время диффузии. Представленное выражение называется параболическим законом диффузии и может быть получено теоретическим путем из закона диффузии Фика [8, 9].

Процессы, протекающие при шлифовании между абразивным и обрабатываемыми материалами, не ограничиваются взаимодействием только железа и алюминия, а представляют собой более сложные химические взаимодействия, обусловленные наличием и концентрациями легирующих элементов в стали. В случае использования указанной формулы применительно к настоящему исследованию коэффициент диффузии П представляет собой обобщенный коэффициент химического сродства конкретной стали к белому электрокорунду. Выражая коэффициент сродства П через толщину диффузионной прослойки и время контакта, получаем численные значения коэффициента химического сродства белого электрокорунда с различными сталями (табл. 2).

При расчете величины коэффициента сродства использовалась величина толщины диффузионной прослойки, измеренная по химическому спектру, полученному при химическом анализе вдоль линии. Физический смысл

Таблица 2

Коэффициенты химического сродства белого электрокорунда с различными обрабатываемыми сталями

Марка стали Толщина диффузионной зоны x  10-3, мм Коэффициент сродства D  10-10, мм2/с

Сталь 45 8,33 18,913

40ХН 4,96 6,7056

38ХС 3,66 3,6512

12ХН3А 4,52 5,5687

обрабатываемого и абразивного материала позволяют утверждать, что в контакте абразивного зерна с обрабатываемым материалов синтезируется третье вещество.

Рассчитанные коэффициенты химического сродства абразивного и обрабатываемого материала позволят разработать обобщенную модель износа шлифовального круга, учитывающую его физико-химический механизм.

коэффициента сродства аналогичен смыслу коэффициента диффузии: это коэффициент пропорциональности, характеризующий диффузионный поток между сталью и электрокорундом при градиенте концентраций последних на границе их контакта.

Рассчитанные коэффициенты сродства различных сталей к электрокорунду белому позволяют учесть столь значимый механизм износа абразивных зерен при шлифовании, как физико-химический, при построении обобщающей модели износа шлифовального круга в процессе обработки различных марок сталей и сплавов.

Выводы

В процессе шлифования в зоне контакта единичного абразивного зерна, несмотря на его кратковременность, интенсивно протекают физико-химические процессы, оказывающие превалирующее влияние на величину, характер и интенсивность износа абразивного инструмента.

Выполненные экспериментальные исследования по химическому взаимодействию

Литература

1. Лоладзе Т. Н. Износ режущего инструмента. М.: Машгиз, 1958. 354 с.

2. Лоладзе Т. Н., Бокучава Г. В. Износ алмазов и алмазных кругов. М.: Машиностроение, 1967. 112 с.

3. Маслов Е. Н. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение, 1974. 320 с.

4. Богомолов Н. И., Казимирчик Ю. А., Саю-тин Г. И. и др. Влияние адгезионных свойств абразива на силы шлифования // Труды ВНИИАШ. 1973. № 14. С. 53-59.

5. Саютин Г. И., Носенко В. А., Ларионов Н. Ф. Физико-химические явления в процессе шлифования титановых сплавов // Труды ВНИИАШ. 1984. № 29. С. 23-33.

6. Славин А. В. Повышение эффективности процесса шлифования на основе моделирования механо-химических явлений в зоне обработки: Ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01, 05.02.08. Саратов, 2000. 15 с.

7. Худобин Л. В. Смазочно-охлаждающие средства, применяемые при шлифовании. М.: Машиностроение, 1971. 216 с.

8. Уманский Я. С., Финкельштейн Б. Н., Блан-тер М. Е. Физическое металловедение. М.: Метал-лургиздат, 1949. 724 с.

9. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов. М.: Гос. изд-во техн.-теорет. литер., 1950. 320 с.

ООО «ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС „АНТЕЙ"» предлагает следующие услуги:

• Лазерная резка металла

• Гибка металла на станках с ЧПУ

• Пробивка металла на станках с ЧПУ

• Покраска

192102, Санкт-Петербург, ул. Салова, д. 37. Тел.: (812) 493-47-67 E-mail: marketing@antaeus.ru http://www.antaeus.ru