Влияние ювенильных поверхностей на процесс образования смазочных пленок при лезвийном резании металлов

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

УДК 621.9

Влияние ювенильных поверхностей на процесс образования смазочных пленок при лезвийном резании металлов

А. Г. Наумов, М. П. Пагин, К. В. Курапов, О. В. Ткачук

Ключевые слова: закон действия масс, резание металлов, склерометрия, смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), смазочные структуры, трибология, физико-химические процессы на границе контакта, ювенильные поверхности.

Как показывает практика, применение сма-зочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) при металлообработке может оказывать значительное влияние на повышение стойкости инструментов и качество обработанных поверхностей. Эффективность СОТС обусловлена прежде всего протеканием физико-химических процессов в контактной зоне и образованием на границе раздела смазочных пленок и структур, пассивирующих адгезионные взаимодействия между химически чистыми металлическими поверхностями. Следствием этого является изменение условий контактирования рабочих поверхностей режущего клина инструмента с обрабатываемым материалом.

Анализ теории радикально-цепного механизма образования смазочных пленок на три-босопряженных металлических поверхностях показывает, что в этом процессе немаловажную роль играют образующиеся при резании химически чистые поверхности обрабатываемого и инструментального материалов — ювенильные металлические поверхности [1]. Такие поверхности находятся в постоянном контакте или с естественной окружающей средой (воздухом), или с искусственно вводимыми внешними средами (СОТС). При этом для взаимодействия ювенильной поверхности с компонентами внешней среды могут быть характерны различные сорбционные процессы, прежде всего физическая и химическая адсорбция. Энергия нарушенных молекулярных связей ювенильной поверхности такова, что молекулы внешней среды способны претерпевать деструкцию и распадаться на атомы, ионы и радикалы. Эти образующиеся частицы также являются химически активными и имеют возможность вступать в химическое взаимодействие со свежевскрытыми металлическими поверхностями.

Учитывая указанные выше особенности, вполне допустимо считать, что на границе контакта «инструмент — обрабатываемый материал» будет наблюдаться образование новых химических соединений в результате протекания химических реакций между ювениль-ными металлическими поверхностями и компонентами внешней среды, то есть процессы ионо- и хемосорбции. Как следует из работ [2, 3], физико-химическая активность этих поверхностей такова, что при их наличии возможно инициирование протекания химических реакций с компонентами внешней среды, термодинамическая возможность которых маловероятна при обычных условиях.

Изучение физико-химических процессов, протекающих в контактной зоне в процессе лезвийного резания, было проведено с использованием авторской установки для микрорезания. Ее принцип действия предполагает нанесение рисок на поверхность исследуемого материала с помощью конуса с углом при вершине 60°, изготовленного из быстрорежущей стали Р6М5 (рис. 1). Использование в качестве режущего инструмента конуса обусловлено тем, что площадь контакта его боковых поверхностей с обрабатываемым материалом значительно больше, чем у резца, а следовательно, адгезионная составляющая силы резания проявляется более явно по сравнению с классическим резцом. Этому также способствует форма конуса, которая имитирует отрицательный передний угол, таким образом осуществляется силовое резание, которое характеризуется значительными тангенциальными нагрузками, активирующими и усиливающими адгезионные взаимодействия. О возможности использования конуса в качестве режущего инструмента для изучения процесса резания в целом и образования нароста на рабочих по-

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕТ^^БРД^К)!

ят.

яп

Рис. 1. Схема установки для микрорезания:

1 — горизонтальная направляющая; 2 — столик для образца; 3 — испытуемый образец; 4 — режущий конус; 5 — площадка для нагружения режущего конуса; N — нормальная сила; 6 — силоизмерительный датчик; 7 — рычаг; 8 — подшипник; 9 — электродвигатель; V — вектор скорости

верхностях конуса в частности, писал в своих работах академик В. Д. Кузнецов [4].

Согласно теории радиально-цепного механизма образование химических радикалов осуществляется не только в результате каталитического действия ювенильных поверхностей, но и за счет взаимодействия молекул внешней среды с энергетическими частицами. В качестве таких частиц могут выступать кванты света, электроны, эмитируемые юве-нильными поверхностями, и т. д. При этом экзоэлектроны, по нашему мнению, способны оказывать наиболее сильное действие, поскольку их количество находится в прямой зависимости от температуры трибосопряженных металлических поверхностей — имеет место термостимулированная эмиссия. В процессе настоящего исследования для нивелирования эмиссии и для относительной стабилизации количества экзоэлектронов резание (процесс нанесения рисок) проводилось с постоянной скоростью 55 мм/мин.

В ходе исследований установлено, что геометрические параметры риски и силы резания прямо пропорциональны приложенной нагрузке и зависимость, связывающая их, близка к линейной (рис. 2). Подобные зависимости зафиксированы для всех исследованных материалов.

Н

А

г, с

Рис. 2. Зависимость силы резания F стали 45 от времени г при нагрузке на конус: 1 — 2 Н; 2 — 6 Н

По нашему мнению, это связано с изменением свойств обрабатываемого материала в результате его пластического деформирования. При движении инструмента перед режущим конусом образуется зона из деформированного металла образца, твердость которой выше, чем у недеформированного. По мере продвижения конуса деформационные процессы усиливаются, что приводит к дальнейшему увеличению твердости деформированного материала, а следовательно, и силы его сопротивления перемещению конуса. Когда сила сопротивления деформированного металла достигает величины, соизмеримой или превышающей значение установленной на конус нагрузки, последний под действием этой силы поднимается, оставляя деформированный металл на дне риски (рис. 3, а). После этого под действием установленной нагрузки конус вновь погружается в обрабатываемую поверхность на первоначальную глубину резания. Затем указанный цикл повторяется.

При больших нагрузках силы сопротивления деформированного металла образца недостаточно, чтобы вытеснить конус к поверхности. Деформированный металл вытесняется по бокам риски, обтекает конус, а при определенных условиях резания сходит в стружку. При этом риска имеет правильную форму, отсутствуют следы деформированного металла на дне риски, хорошо виден деформированный и вытесненный металл по бокам риски (рис. 3, б).

Благодаря проведенным исследованиям также установлено, что геометрические параметры рисок — ширина и глубина (рис. 4, 5) изменяются на протяжении некоторого участка, длина которого характерна для каждого изученного материала. Такое изменение геометрических параметров связано с процессом врезания конуса в обрабатываемый материал и зависит от свойств исследуемого материала.

Изучение влияния СОТС на процесс резания проводилось при постоянной нагрузке на конус 6 Н, поскольку в таких условиях резание протекало стабильно (без скачков силы резания) для всех испытуемых образцов. В качестве СОТС мы использовали иони-

Рис. 3. Внешний вид риски на стали 45 при нагрузке на конус: а — 2 Н; б — 6 Н

1

1

МП^ППООБ^^Ш

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

h, мкм

h, мкм 10

200 / 400 Ь, мкм

Рис. 4. Профиль царапины при резании АМг-2 на разном расстоянии от начала риски: а — 15 мм; б — 30 мм

а)

80 70 60

I 50

Ч

40 -30 20

15

20

25 30 L, мм

35

40

б)

20 18 16

I 14-%12 10 8 6 4

15

20

25 30 L, мм

35

40

Рис. 5. Зависимость ширины Ь (а) и глубины Н (б) следа конуса от длины риски I: 1 — АМг-2; 2 — Л63; 3 — ВТ 1-0; 4 — Ст45

зированный коронным разрядом воздух, который оказывает эффективное влияние на процесс резания и стойкость инструментов [5, 6]. Активация воздуха положительным и отрицательным коронным разрядом осуществлялась с применением авторского оборудования [7], напряжение на электроде составляло 4,5; 8,0; 11,0 и 14,0 кВ при положительной ионизации и -3,0; -6,0; и -9,0 кВ — при отрицательной. Ионизатор устанавливался таким образом, чтобы расстояние от коронирующего электрода до зоны контакта режущего конуса и исследуемого материала составляло 15 мм.

Предметом изучения стало наличие и вид вторичных структур на границе контакта «конус — обрабатываемый материал», образовавшихся при микрорезании в результате взаимодействия СОТС с ювенильными поверхностями

инструментального и обрабатываемых материалов. В процессе работы использовали просвечивающий электронный микроскоп ЭМВ-100Л, метод — реплики с извлечением.

В ходе исследований установлено, что во всех случаях на поверхностях раздела присутствуют структуры, отличные от матричных металлов. Расшифровка электронограмм показала наличие как оксидных, так и нитридных соединений. Перечислим какие соединения были зафиксированы при работе с конкретными металлами:

• сталь 45: оксид и нитрид железа (Ев203 и Гв2К);

• сплав ВТ1-0: оксид и нитрид титана (Т1203 и

• алюминиевый сплав АМг-2: оксид и нитрид алюминия (А12О3 и АШ).

Было зафиксировано, что вид образованной структуры зависит от знака на коронирующем электроде при активации СОТС. При наличии отрицательного потенциала обнаруживаются в основном оксиды металлов, а при положительном — оксиды и нитриды.

Полученные результаты несколько отличаются от предварительно проведенных теоретических расчетов. Согласно последним во всех случаях изобарно-изотермический потенциал образования оксида Ме2О3 имеет минимальное значение (табл. 1), то есть образование таких соединений более предпочтительно. Это полностью подтверждается, если подавать отрицательный потенциал на коронирующий электрод. В случае активации воздуха положительным зарядом образованная плазма имеет в своем составе значительное количество химически активных ионов азота, который является более электроТаблица 1

Расчетные значения энтальпии, энтропии и изобар-но-изотермического потенциала образования оксидных и нитридных фаз

Фаза Энтальпия AH, кал/моль Энтропия АЯ, кал/моль • К Изобарно-термический потенциал АО, кал/моль

Fe2Ü3 -393 000 -130,00 -354 260

Fe3Ü4 -267 000 -82,47 -242 424

FeO -127 400 -36,18 -127 400

Fe2N -1800 -23,30 5152

Fe4N -5100 -23,29 1840

TiO -250 800 -46,86 -236 836

Ti2O3 -725 600 -138,30 -684 387

TiO2 -224 900 -44,23 -211 720

TiN -146 000 -44,91 -132 617

AI2O3 -798 000 -149,68 -753 396

AlN -115 400 -49,31 -100 706

1

3

1

положительным по сравнению с кислородом. По нашему мнению, именно данный факт способствует образованию на границе раздела нит-ридных соединений несмотря на неблагоприятные условия с точки зрения энергии Гиббса.

Кроме того, в ряде случаев на границе раздела наблюдались структурные образования, которые по своим межплоскостным расстояниям не могли быть идентифицированы как вышеуказанные соединения нитридов или оксидов. Они также были отличны от структур матричного материала. По-видимому, в данных случаях проявляется действие закона масс, суть которого на примере быстрорежущей стали и азота заключается в следующем.

В соответствии с термодинамической активностью элементов по отношению к азоту их можно расположить в следующий ряд: Zr, Т1, А1, 81, N13, V, Мп, Сг, Мо, Ее, Со, N1, Си [8]. Элементы с большим сродством к азоту, расположенные слева от основного металла, обусловливают образование соответствующих нитридов легирующих элементов, а те, что справа, — нитридов основного металла. Однако появление того или иного соединения определяется не только степенью сродства или изобарно-изотермическим потенциалом, но и массой взаимодействующих веществ. Так, если речь идет о быстрорежущей стали, из которой изготовлен конус, то при малой концентрации ванадия и огромной по сравнению с ним массе железа ванадий может не образовать своего нитрида, а войти в нитрид железа, изменяя его характеристики. Аналогичным образом способны вести себя и другие элементы. Подобное явление носит название закона действия масс, или закона масс.

Изучение влияния новых структурных соединений, образованных при использовании в качестве СОТС активированного воздуха, проводилось в процессе микрорезания. Представляло интерес изменение геометрии риски в зависимости от степени ионизации воздушного потока. Ширина и глубина рисок измерялись на расстоянии 45 мм от их начала, так как на этом расстоянии согласно вышеприведенным данным у всех образцов был пройден период врезания конуса в поверхность обрабатываемого материала. В результате проведенных исследований установлено, что величина потенциала на коронирующем электроде оказывает влияние на контролируемые параметры рисок (табл. 2, 3), увеличивая их значение по сравнению с резанием всухую независимо от знака потенциала.

В случае отрицательно заряженной плазмы наблюдаемое явление обусловлено образованием разделительных смазочных оксидных пленок, толщина которых зависит от количества активного кислорода в контактной зоне. Чем выше потенциал на коронирующем электроде, тем значительнее степень ионизации воздуха, а следовательно, больше количество ионов и радикалов кислорода участвуют в построении оксидов на ювенильных поверхностях границы раздела инструмента с обрабатываемым материалом. Имея невысокие физико-механические характеристики, эти пленки (или их фрагменты) интенсивно стираются в результате трибосопряжения с режущим конусом. Поскольку они имеют реальные размеры, в частности толщину, увеличивающуюся при повышении напряжения на коронирую-щем электроде, то процесс их срыва и уноса

Таблица 2

Глубина и ширина, мкм, риски при микрорезании образцов с положительно заряженными ионами

Материал Всухую Потенциал, кВ

4,5 8,0 11,0 14,0

Глубина Ширина Глуби на Ширина Глубина Ширина Глубина Ширина Глубина Ширина

АМг2 20 75 22 78 24 83 23 85 25 85

Л63 13 37 14 40 16 38 16 43 16 42

Сталь 45 12 40 12 60 14 50 15 55 15 60

ВТ1-0 8 45 9 48 10 50 11 50 10 51

Таблица 3

Глубина и ширина, мкм, риски при микрорезании образцов с отрицательно заряженными ионами

Материал Всухую Потенциал, кВ

3,0 6,0 9,0

Глубина Ширина Глубина Ширина Глубина Ширина Глубина Ширина

АМг2 20 75 21 77 24 83 23 85

Л63 13 37 15 40 14 43 17 45

Сталь 45 12 40 13,5 50 14 60 14 65

ВТ1-0 8 45 9 47 10 47 10 46

и определяет некоторое увеличение геометрических параметров рисок.

При положительном потенциале количество образующихся оксидов уменьшается по сравнению с условиями в предыдущем случае, однако имеет место образование нитридных соединений. Отсутствие сплошной пленки нитридов на поверхности раздела, которое установлено электронной микроскопией, способствует их частичному уносу со стружкой. В данном случае именно механизм совокупного истирания и уноса оксидов и нитридов является основой изменения геометрии риски. При этом величина потенциала на коронирующем электроде оказывает действие на процесс образования химически активных частиц, которое аналогично рассмотренному для отрицательного потенциала.

Таким же образом можно интерпретировать результаты изучения изменения сил резания, полученные в режиме реального времени и представленные на рис. 6. Из анализа трибограмм следует, что при положительном потенциале на коронирующем электроде процесс резания проходит нестабильно, фиксируются скачки изменения силы резания. Нестабильность процесса больше, чем при резании всухую. Это объясняется наличием в контактной зоне нитридных соединений, которые образовались при взаимодействии СОТС с ювенильными поверхностями и в силу своих механических свойств не улучшают триболо-гическую характеристику контактной зоны.

Действие отрицательно ионизированного воздуха приводит к образованию на границе три-босопряжений оксидных структур, обладающих хорошей смазочной способностью. В результате этого процесс резания протекает более стабильно, без явно выраженных скачков силы резания (рис. 6, б). Отмеченные незначительные колебания силы при повышенных напряжениях обусловлены начальным этапом инициирования химического (окислительного) износа, что отмечалось нами и ранее [6]. Это происходит в результате образования на коронирующем электроде чрезмерно большого количества активных ионов и радикалов кислорода, участвующих в окислительных процессах в контактной зоне при повышенном напряжении.

Несмотря на разные значения стабильности процессов микрорезания при использовании в качестве СОТС ионизированного воздуха и в условиях наличия различных напряжений на корони-рующем электроде (как по знаку, так и по величине), количественный показатель силы резания практически не изменяется. Уменьшение силы резания отмечено только при переходе от резания без применения СОТС к резанию с использованием активированного воздуха (рис. 7).

Одной из основных физических характеристик процесса резания, во многом определяющей эффективность смазочного действия того или иного СОТС, является величина зоны деформированного металла, примыкающая к обработанной поверхности. По интенсивности искажения структуры матричного металла и глубине проникновения этого искажения в матрицу можно судить о величине адгезионных взаимодействий между рабочими поверхностями инструмента и обрабатываемым материалом. На рис. 8 приведены фотографии рисок после микрорезания стали 45 в разных условиях. При использовании ионизированного воздуха (рис. 8, б) фиксируется заметное уменьшение величины деформированной зоны и интенсивности деформационных процессов по сравнению с резанием всухую (рис. 8, а).

Для осуществления акта адгезии необходимо наличие химически чистых, не запассивирован-ных экранирующими пленками металлических поверхностей. Механизм адгезии представляет собой взаимодействие на молекулярном уровне.

а)

Р, Н

О

///М4

б)

Р, Н

г, с 4

г, с

Рис. 6. Трибограммы процессов микрорезания стали 45 с использованием в качестве СОТС воздуха, ионизированного коронным разрядом, в зависимости от напряжения, кВ, на корониру-ющем электроде:

а — положительное напряжение:

1 — резание без СОТС; 2-5 — резание при наличии СОТС:

2 — 11,0 кВ; 3 — 8,0 кВ; 4 — 14,0 кВ; 5 — 4,5 кВ;

б — отрицательное напряжение: 1 — резание без СОТС; 2-4 — резание при наличии СОТС: 2 — -6 кВ; 3 — -3 кВ; 4 — -9 кВ

5

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕТ^^БРД^К)!

а)

б)

F, Н 6

F, Н 6

5

4

3

2

1

0

9,0 U, кВ

ч

S

Чсухую

4 5

й

г

I

8,0

11 0

14 0 U, кВ

Рис. 7. Зависимость силы резания F от напряжения на коронирующем электроде: а — отрицательный потенциал; б — положительный потенциал;

— сталь 45;  — АМг2; Н — ВТ 1-0;  — Л63

С учетом этого при резании в адгезионных процессах доминирующую роль будут играть све-жевскрытые ювенильные поверхности инструментального и обрабатываемого металлов, обладающие высокой химической активностью. При физико-химических взаимодействиях между компонентами СОТС и ювенильными поверхностями на базе последних происходит образование новых веществ, что резко уменьшает как их химическую активность, так и общую

Рис. 8. Деформированные зоны матрицы стали 45 после микрорезания: а — без применения СОТС; б — с отрицательно ионизированным воздухом и напряжением на электроде —3 кВ

поверхностную энергию. В результате вероятность осуществления акта адгезии уменьшается, что находит свое отражение, в первую очередь, в деформационных процессах приповерхностных слоев трибосопряженных металлов.

Уменьшение адгезионных взаимодействий в зоне контакта неизбежно приведет к облегчению процесса взаимного перемещения рабочих поверхностей инструмента относительно обрабатываемого материала. В макроаспекте это проявится в изменении сил резания. Оба указанных фактора зафиксированы в ходе проведения настоящих исследований.

Таким образом, благодаря проведенной работе установлено, что ювенильные поверхности, образующиеся в процессе стружкоотделе-ния при лезвийном резании металлов, активно участвуют в процессе образования вторичных структур, например оксидов железа. В результате уменьшаются адгезионные взаимодействия в контактной зоне и инициируется смазочный эффект на границе раздела трибосопряженных металлических поверхностей инструментального и обрабатываемого материалов.

Литература

1. Латышев В. Н., Наумов А. Г. Трибология и проблемы СОТС // Инструмент и технологии: Спец. выпуск по мат-лам Междунар. форума технологов-машиностроителей, посв. памяти проф. А. А. Ма-талина. 26-27 марта 2004 г. СПб., 2004. С. 117-128.

2. Merchant M. E. Cutting fluid action and the wear of cutting tools // Conf. Inst. Mech. Eng., Lubrication and wear. London, 1957. P. 127-136.

3. Володин Ю. В., Перцов Н. В. Термодинамический анализ особенностей влияния галогенов на механическую обработку металлов. М., 1984. 12 с. (Вестник МГУ. Химия).

4. Кузнецов В. Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов. М.: Наука, 1977. 310 с.

5. Латышев В. Н., Наумов А. Г., Минеев Л. И. и др. Особенности формирования вторичных структур на трибосопряженных металлических поверхностях с участием ионизированного воздуха // Металлообработка. 2007. № 1. С. 9-12.

6. Латышев В. Н., Наумов А. Г., Раднюк В. С. и др. Облегчение процесса резания материалов микро- и нанодозами СОТС // Металлообработка. 2008. № 4. С. 7-13.

7. Пат. № 2287419 Российская Федерация. Устройство для получения ионизированных и озонированных СОТС [Текст] / В. Н. Латышев, А. Г. Наумов, Л. И. Минеев и др.; заявитель и патентообладатель Ивановск. гос. ун-т. № 2004110659/02 (011380); заявл. 07.04.2004; опубл. 20.11.06. Бюл. № 32.

8. Фетисов Г. П., Картман М. Г., Матюнин В. М. и др. Материаловедение и технология металлов. М.: Высшая школа, 2000. 637 с.