Развитие теории радикально-цепного механизма действия СОТС при резании металлов

УДК 621.785.532; 621.9

Развитие теории радикально-цепного механизма действия СОТС при резании металлов

А. Г. Наумов, В. Н. Латышев, В. С. Раднюк, О. А. Наумова

В статье представлены результаты исследований по развитию теории действия смазочно-охлаждаю-щих технологических средств (СОТС) в процессах лезвийного резания материалов. Показано, что механизм действия СОТС заключается не только в протекании радикально-цепных реакций с образованием разделительных смазочных пленок в контактной зоне. Важную роль при использовании СОТС, с точки зрения качества обработанных поверхностей и стойкости режущих инструментов, могут оказывать диффузионные процессы компонентов СОТС в трибосопряженные поверхности инструментального и обрабатываемого материалов.

Ключевые слова: резание материалов, смазочно-охлаждающие технологические средства, механизм действия СОТС, поверхностные явления, диффузия.

Трибология резания материалов неразрывно связана с действием на процессы, протекающие в контактной зоне, внешних смазоч-но-охлаждающих технологических средств (СОТС). Это наблюдается не только при использовании специально вводимых СОТС, но и при действии естественной окружающей зону резания среды — воздуха.

Механическая обработка (лезвийное резание) металлов и сплавов представляет собой совокупность физико-химических процессов, закономерностей и явлений, протекающих в контактной зоне инструмента с обрабатываемым материалом. Сложность этих процессов и явлений, как отмечается в многочисленных научных исследованиях, в том числе академиков Н. Н. Семенова, П. А. Ребиндера, В. Д. Кузнецова, обусловлена целым рядом факторов. Основными из них являются: высокие температуры и давления, наличие постоянно обновляющихся химически чистых и имеющих свободные валентности (химически активных) металлических поверхностей, многокомпонентные структуры матриц инструмента и обрабатываемого материала и т. д. Все это приводит к интенсивному развитию различных видов изнашивания рабочих поверхностей инструментов, первопричиной воз-

никновения которых являются адгезионные взаимодействия между трибосопряженными химически активными поверхностями инструментального и обрабатываемого материалов.

Смазочно-охлаждающие технологические средства способны оказывать эффективное влияние на процессы резания. При этом, как показал академик П. А. Ребиндер, в зоне контакта могут протекать такие химические реакции, термодинамическая возможность которых маловероятна при обычных условиях.

В ходе развития науки о резании многие ученые старались теоретически описать процессы, протекающие в зоне контактирования и приводящие к облегчению условий резания в целом. Все многообразие подобных попыток создать теорию смазочного действия СОТС можно условно классифицировать на три основные группы.

В соответствии с первой гипотезой внешняя среда (водные растворы поверхностно-активных веществ — ПАВ) производит пластифицирующее действие срезаемого слоя металла вследствие адсорбции полярных молекул СОЖ1 в субмикротрещинах (П. А. Ре-

1 Частный случай СОТС — смазочно-охлаждающие жидкости.

биндер, С. Я. Бейлер, Н. А. Плетнева). Исследователями было экспериментально показано, что при деформации и разрушении чистых металлов (олово, свинец, цинк, кадмий) в присутствии ПАВ полосы скольжения в деформируемом металле измельчаются в десятки раз, и работа, затрачиваемая на разрушение, многократно уменьшается по сравнению с деформацией металла в инактивной среде.

Г. И. Епифанов предложил теорию действия СОТС, получившую название теории каталитического распада СОЖ. В соответствии с этой теорией молекулы СОТС под действием силового поля ювенильных (химически чистых) поверхностей стружки разрушаются с образованием атомов, диффундирующих в срезаемый слой металла. В результате металл в зоне деформации быстрее достигает предельного состояния (охрупчивается) и разрушается при меньшей затрате энергии. Внедрение продуктов распада молекул СОЖ в деформируемый металл активируется высокими температурами и давлениями, возникающими при резании, наличием ювенильных поверхностей в результате искажений кристаллической структуры срезаемого слоя. Согласно изложенной теории внешняя среда не оказывает влияния на трение, а лишь уменьшает работу резания. В последующие годы теория Г. И. Епифанова встретила критику со стороны специалистов по резанию металлов, которые считали, что среда производит лишь смазочное действие и не влияет на физико-механические свойства срезаемого слоя.

Сущность третьей гипотезы (В. Кемпбелл, Ф. Боуден, Н. Н. Зорев и др.) заключается в том, что эффективное действие внешней среды при резании металлов связано с изменением условий граничного трения на контактных поверхностях резца и стружки. Это обусловлено образованием смазочных (физических или химических) пленок и их защитным действием. Внешняя среда вследствие образования защитных пленок экранирует силы молекулярного притяжения между ювениль-ными поверхностями инструмента и обрабатываемого материала, уменьшает адгезию и средний коэффициент трения. Относительно состава образующихся пленок при резании металлов также высказывались противоположные точки зрения. Так, М. Ю. Мерчант

высказал предположение, что СОЖ создает между резцом и стружкой пленку для высоких давлений с малым сопротивлением сдвигу, которая вызывает уменьшение трения в зоне контакта. Позднее А. Шоу показал, что в зоне контакта должен быть слой с высоким сопротивлением сдвигу, вызывающим значительную вторичную деформацию и завивание стружки. В. Коном была высказана гипотеза о том, что СОЖ способствует сдвигу металла при пониженных напряжениях вследствие адсорбционного понижения прочности деформированного металла. Он же предположил, что СОЖ уменьшает свободную энергию металлических поверхностей при резании, интенсифицирует обработочное упрочнение, ограничивает выход дислокаций на поверхность.

Анализ этих противоречивых, но экспериментально подтвержденных гипотез позволил В. Н. Латышеву [1] сформулировать теорию, описывающую динамику процессов образования в контактной зоне разделительных смазочных пленок посредством протекания радикально-цепных реакций и предположить, что вышеуказанные гипотезы являются частными случаями этой теории. Впоследствии теория и высказанные предположения были подтверждены многочисленными исследователями.

Однако дальнейшие наши исследования, проведенные с привлечением теории и экспериментальных данных в области материаловедения и упрочнения материалов, показали, что СОТС при резании металлов будет оказывать действие не только на границе раздела инструмента с обрабатываемым материалом, как это описывается теорией радикально-цепных реакций. Образованные в контактной зоне в результате физико-химических процессов отдельные компоненты СОТС будут диффундировать в трибосопряженные металлические поверхности, в той или иной мере изменяя их физико-механические характеристики.

Согласно этому в общем случае механизм действия СОТС, приводящий к изменению условий трибосопряжения между инструментальным и обрабатываемым материалами при резании, можно описать моделью, представленной на рис. 1. Таким образом, влияние СОТС на процесс резания следует рассматривать как совокупное действие трех явлений, приводящих к изменению трибологических

МЕШПООБМБОТК|»

Рис. 1. Модель действия СОТС при лезвийном резании

характеристик контактной зоны, а именно образование разделительных смазочных пленок между трибосопряженными металлическими поверхностями и влияние на изменение условий трибосопряжения со стороны модифицированных в результате диффузионных процессов рабочих поверхностей инструмента и обрабатываемого материала.

В первом случае смазочный эффект от действия СОТС представляет собой совокупность двух механизмов, основой проявления которых являются термодинамические характеристики зоны резания [2]. В областях, где температуры недостаточно высоки для пиролиза СОТС, ее действие в основном описывается механизмом граничной смазки. В областях непосредственного контакта (зона трибосопря-жений), где температуры резания в зависимости от инструментального материала имеют средние значения от 500-550 до 900-1000 °С, СОТС претерпевает термодеструкцию с образованием химически активных атомов, ионов и радикалов. Значительный вклад в образование таких частиц вносят физически чистые и обладающие высокими каталитическими свойствами ювенильные поверхности, образующиеся при разрыве металлических связей. Разрушение нейтральных молекул внешней среды на атомы, ионы и радикалы осуществляется также и при их взаимодействии с эк-зоэлектронами, эмитируемыми ювенильными поверхностями в результате термоэлектронной эмиссии, или иными энергетическими частицами, в том числе и квантами света.

Именно наличие и свойства атомов, ионов и радикалов, образующихся при разрушении молекул СОТС, как показал академик Н. Н. Семенов, инициирует протекание в зоне контакта химических реакций между этими частицами и металлическими поверхностями. Продуктом таких реакций является образование на границе раздела смазочных пленок, улучшающих трибологическую обстановку и экранирующих непосредственный контакт химически активных ювенильных поверхностей инструмента и обрабатываемого материала. Так, в результате взаимодействия экзоэлек-тронов с нейтральными молекулами СОТС осуществляются передача энергии от электронов молекулам СОТС, переход последних в возбужденное (метастабильное) состояние (акти-

вация) и их распад с образованием радикалов и радикальных групп, активность которых обусловлена наличием на внешней оболочке электрона с нескомпенсированным спином.

В общем случае подобные процессы при образовании, например, перекисных радикалов можно описать следующим образом:

Н20 + ку

I

Н. + ОН.

При взаимодействии гидроксильных радикалов образуется перекись водорода, эффект которой при резании обусловлен способностью выделять активный кислород:

ОН. + ОН. ^ Н202; 2Н2О2 ^ 2Н2О* + О2; 02 + ку(в) ^ О2*. +Иу(в),

I

О. + О.

где Ни(ё) — энергия (электрон), эмитируемая ювенильной поверхностью; Н2О*, О* — возбужденные молекулы воды и кислорода; Н., ОН., О. — химические радикалы.

Наряду с возникновением разделительных смазочных пленок на границе раздела инструмента с обрабатываемым материалом в контактной зоне происходят процессы диффузии продуктов деструкции компонентов СОТС через ювенильные поверхности с образованием твердых растворов внедрения или замещения в металлических матрицах. В этих процессах участвуют как нейтральные атомы, так и заряженные частицы (ионы, радикалы). Скорость проникновения частиц СОТС в глубь металла определяется градиентом химического потенциала, наличием физически чистых (незапассивированных оксидами) ювенильных поверхностей, диффузионной подвижностью этих частиц в металле (т. е. коэффициентом диффузии) и характеристиками процесса резания, в первую очередь температурами в контактной зоне, так как диффузия является тер-моактивируемым процессом.

Ионы и радикалы имеют значительно большую кинетическую энергию по сравнению с нейтральными атомами. Это обусловлено

действием естественных электромагнитных полей, напряженности которых в зоне контакта могут достигать В/м, и возникающих при перемещении друг относительно друга трибосопряженных металлических поверхностей. Подобные явления зафиксированы и при упрочнении металлов. Например, при ионной химико-термической (упрочняющей) обработке ионы азота К+, образованные в плазме тлеющего разряда, имеют среднюю энергию, равную 3,68 • 10-17 Дж при напряжении 800 В, что в 3000 раз больше той, которую имеют термически активированные атомы азота при обычном азотировании (1,39 • 10-20 Дж). Обладая такой высокой энергией, ионы азота могут воздействовать на структуру металла на глубине около 100-200 атомных слоев за время 10-12 с [3].

Образование твердых растворов как внедрения, так и замещения приводит к изменению фазового состава и структуры матрицы, следствием чего является изменение физико-механических характеристик приповерхностных объемов металлов. Это приводит к увеличению значений их микротвердости и остаточных микронапряжений, которые плавно уменьшаются от поверхности вглубь до значений, соответствующих немодифицированной матрице. При этом наблюдаемые визуально зоны деформированного металла на обработанной поверхности и зоны вторичной деформации на прирезцовой стороне стружки имеют значительно меньшие размеры (рис. 2, таблица).

Следует отметить, что не исключена вероятность скопления абсорбированных частиц

в отдельных микрообъемах приповерхностных слоев, в результате чего будет выделяться новая фаза. Однако этот процесс согласно проведенным исследованиям не является доминирующим для обрабатываемых материалов ввиду короткого времени нахождения этого материала в контактной зоне, т. е. времени активных диффузионных процессов.

Иную картину можно наблюдать в случае инструментальных материалов, особенно для углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей. Нормативное время работы инструментов составляет 2 ч, т. е. инструментальный материал длительное время подвергается действию активной атмосферы, образованной в результате деструкции СОТС. С учетом того что при классическом упрочнении химико-термической обработкой длительность насыщения инструментальных сталей составляет от 5 до 60-70 мин, можно констатировать, что в процессе резания в результате диффузионных процессов материал рабочих поверхностей инструментов модифицируется значительным количеством диффундирующих элементов [4]. Вследствие этого в приповерхностных слоях будет наблюдаться формирование не только твердых растворов, но и новых фаз, которые могут непосредственным образом оказывать влияние на физико-механические характеристики инструментального материала, а значит, на трибологические и физико-химические процессы в контактной зоне.

Следует отметить, что такая модификация инструментального материала может приводить как к положительному, так и к отрица-

а)

б)

120 140 167 Расстояние, мкм

Рис. 2. Распределение микротвердости (а) и зоны вторичной деформации (б) обработанной поверхности стали 45, сформированной при точении с использованием в качестве СОТС воздуха при V = 0,6 м/с

Сводная таблица изменения деформационного зон, глубины изменения микротвердости (...) и микронапряжений [...] на обработанных поверхностях, образованных на стали 45 при свободном точении, в зависимости от изменения скорости резания и используемой СОТС при в = 0,1 мм/об, мкм

Используемая Скорость резания V, м/с

СОТС 0,3 0,6 0,8

Без ионизации 12 10 8

[165-175] [160-170] [170-180]

Ионизация (+) 8 9 9

Воздух

[160-170] [165-175] [170-180]

Ионизация (—) 7 5 6

[165-175] [170-180] [175-185]

Без ионизации 11 9 10

[170-180] [160-170] [155-165]

Ионизация (+) 9 6 6

Азот

[135-145] [160-170] [170-180]

Ионизация (—) 10 8 9

[145-155] [150-160] [160-170]

Без ионизации 10 9 11

[155-165] [160-170] [165-175]

Ионизация (+) 9 10 10

Гелий

[175-185] [165-175] [170-180]

Ионизация (—) 9 9 10

[170-180] [160-170] [170-180]

Без ионизации 12 11 7

[150-160] [145-155] [145-155]

Ионизация (+) 8 7 7

Кислород

[135-145] [130-140] [150-160]

Ионизация (-) 6 5 4

[125-135] [130-140] [140-150]

тельному эффектам (стойкостные показатели инструментов, характеристик процесса резания, качество обработанных поверхностей). В качестве примера можно привести дискуссию среди исследователей о влиянии кислорода на процесс резания. Многочисленными работами В. Н. Латышева, В. В. Маркова и многих других ученых показано, что кислород оказывает положительное действие при резании металлов, так как образующиеся по радикально-цепному механизму радикалы кислорода образуют на металлических по-

верхностях оксидные пленки, улучшающие характеристики процесса резания [5]. С другой стороны, в ряде работ показано, что кислород может оказывать и отрицательное влияние, прежде всего на стойкостные показатели инструментов. Так, исследованиями М. Ю. Куликова [6] установлено, что кислород в процессе резания проникает в приповерхностные слои твердосплавного инструмента с образованием в матрице оксидов, ухудшающих прочность связи карбидных зерен с металлической связкой. Это способствует выкра-

Рис. 3. Схема источников активации СОТС

шиванию зерен твердого сплава при резании, т. е. приводит к уменьшению времени работоспособности инструмента.

Вместе с тем при рассмотрении механизмов действия СОТС необходимо учитывать закон действия масс (или закон масс) [7]. Суть его заключается в том, что с учетом изобар-но-изотермического потенциала образование новых соединений (смазочных пленок) носит избирательный характер. Наиболее вероятно протекание тех химических реакций между частицами СОТС и металлами, изобарно-изо-термический потенциал которых имеет минимальное значение, т. е. взаимодействующие вещества обладают большим сродством друг к другу по сравнению с другими. Установлено, что все рассматриваемые металлы можно расположить в ряд по их активности к тому или иному компоненту внешней среды, использу-

емому в качестве СОТС. Например, для кислорода имеем следующий ряд:

А-Т1-У-Мп-Сг^-Ее-Мо-М^№Ч31.

Элементы с большим сродством к кислороду, расположенные слева от основного металла, обусловливают образование оксидов легирующих элементов, а если элементы находятся справа, то превалирующим будет выделение оксидов основного металла.

Однако образование того или иного соединения определяется не только степенью сродства, но и массой взаимодействующих веществ. Например, быстрорежущая сталь содержит вольфрам, ванадий, молибден и другие элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо. Но при малой концентрации ванадия и огромной по

сравнению с ванадием массе железа ванадий может не образовать своего оксида, а войти в состав оксида железа, изменяя его физико-механические свойства. Аналогичным образом могут вести себя и другие элементы. В этом и проявляется закон масс.

Таким образом, из вышеприведенного следует, что смазочное действие СОТС в большей степени проявляется в результате протекания в контактной зоне радикально-цепных реакций с образованием на границе раздела разделительных смазочных пленок, а также в результате модификации рабочих поверхностей инструментов компонентами СОТС в процессе резания.

Диффузионные процессы, протекающие на обработанных поверхностях, влияют на изменение трибологической обстановки контактной зоны опосредованно — через изменение условий контактного взаимодействия в результате изменения физико-механических характеристик металлических поверхностей. Эти процессы оказывают непосредственное влияние на наследственность обработанных поверхностей.

Физико-химические процессы, улучшающие трибологическую обстановку в контактной зоне, можно интенсифицировать путем предварительного целенаправленного воздействия на СОТС — активации СОТС [8]. Такие воздействия имеют химическую, физическую или физико-химическую природу и могут осуществляться как предварительно, так и непосредственно в контактной зоне (рис. 3).

Химическая активация представляет собой интенсификацию химических реакций с образованием смазочных разделительных пленок путем введения в состав СОТС специальных химических элементов и соединений. К таким веществам относятся сера, хлор, фосфор, йод, перекисные соединения, озон и др.

Физическая активация заключается в дополнительном энергетическом или механическом воздействии на СОТС в целях интенси-

фикации процессов образования химически активных частиц СОТС, участвующих в формировании смазочных пленок. Такой вид активации может быть реализован различными методами: термическими (предварительный нагрев СОТС), электрическими (воздействие на СОТС электрическим полем, током или разрядом), механическими (использование механических колебаний, ударных волн, трения, диспергирования и т. д.), магнитными полями, электромагнитными излучениями (ультрафиолетовым).

Физико-химическая активация реализуется путем одновременного воздействия на СОТС физическими и химическими методами.

Литература

1. Латышев В. Н. Исследование механохимических процессов и эффективности применения смазочных сред при трении и обработке металлов: дис. ... д-ра техн. наук. М., 1973. 412 с.

2. Наумов А. Г., Латышев В. Н. О механизме радикально-цепных реакций при лезвийной обработке металлов // Металлообработка. 2009. № 3 (51). С. 8-16.

3. Лахтин Ю. М., Коган Я. Д., Шпис Г. И., Бемер З. Теории и технологии азотирования. М.: Металлургия, 1991. 320 с.

4. Наумов А. Г. Повышение эффективности лезвийной обработки быстрорежущим инструментом при использовании экологически чистых СОТС: дис. ... д-ра техн. наук. М., 1999. 378 с.

5. Латышев В. Н., Наумов А. Г. О смазочном и химическом действии внешней среды при резании металлов // Трение и износ. 2001. Т. 22, № 3. С. 342-348.

6. Куликов М. Ю. Разработка способов повышения работоспособности режущего инструмента на основе анализа механизмов его микро- и субмикроразруше-ния: дис. ... д-ра техн. наук. М.: МГТУ «Станкин», 1998.261 с.

7. Прокошкин Д. А. Химико-термическая обработка металлов — карбонитрация. М.: Металлургия, 1984. 240 с.

8. Латышев В. Н., Наумов А. Г. Активация СОТС // В кн.: Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием: справ. / Под общ. ред. Л. В. Худобина. М.: Машиностроение, 2006. 544 с.