Нанопленки оксидов металлов зоны лазерной обработки инструментальных сталей и их влияние на работоспособность металлорежущего инструмента

Нанопленки оксидов металлов зоны лазерной обработки инструментальных сталей и их влияние на работоспособность металлорежущего инструмента

С.И. Яресько

Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Самара, 443011, Россия

Представлены результаты электрохимического анализа компактных нанопленок оксидов металлов, образующихся на поверхности зоны лазерного воздействия инструментальных материалов. Обнаружены оксиды легирующих элементов (M0O3, WO3) и железа Fe3O4, интегральная толщина пленки составляет ~0.20 мкм. Установлено определяющее влияние окисной пленки на интенсивность изнашивания упрочненного инструмента на участке приработки. При этом время приработки упрочненного инструмента сокращается в 4-5 раз по сравнению с неупрочненным инструментом, а в целом стойкость резцов увеличивается в ~3.8 раза.

Nanofilms of metal oxides of laser action zone of tool steels and their effect on working capacity of metal-cutting tools

S.I. Yaresko

The results of the electrochemical analysis of compact nanofilms of metal oxides that were formed on a surface of the laser action zone of tool materials are represented. The oxides of alloying elements (M0O3, WO3) and iron Fe3O4 were detected, integral thickness of the film was found to be equal to ~0.20 мкм. The influence of the oxide film on intensity of outwearing of the hardened tool on a site of a wear-in was established to be defining. Thus the time of a wear-in of the hardened tool was reduced by 4-5 times as compared with unhardened tool, and the wear resistance of the cutters was increased in ~3.8 times as a whole.

1. Введение

В условиях острого дефицита инструментальных материалов в настоящее время для машиностроительного производства актуально повышение эксплуатационных характеристик металлорежущего инструмента. Эта задача в ряде случаев успешно решается с использованием метода лазерного упрочнения, в основе которого лежит создание на поверхности инструмента структур, стойких к истиранию в условиях высоких удельных давлений и температур в зоне контакта инструмент-деталь. Дальнейшее повышение эксплуатационных характеристик упрочненного импульсным лазерным излучением металлорежущего инструмента возможно в результате комплексного анализа влияния на его работоспособность, как режимов лазерной обработки, так и режимов резания [1]. При реализации указанного подхода к рассмотрению процесса резания упрочненным инструментом установлено, что на изнашивание токарных резцов существенное влияние оказывают вторичные структуры, представляющие собой пленку окисла и образующиеся

при лазерной обработке на поверхности инструментальных сталей. Для определения оптимальных условий лазерной обработки инструмента необходимо знание динамики его изнашивания при учете влияния условий эксплуатации на всем протяжении процесса резания и особенно на участке приработки, где роль окис-ных пленок в зоне контакта наиболее существенна.

Цель настоящей работы — исследование оксидов металлов в зоне лазерной обработки инструментальных сталей и их влияния на изнашивание упрочненного инструмента.

2. Методы исследования

Электрохимическим способом, в основе которого лежит восстановление окислов, образующихся на поверхности зоны лазерного воздействия, до металла или низшего окисла, проанализированы толщина и состав пленок, полученных на инструментальных сталях при режимах лазерной обработки, соответствующих температуре закалки. Влияние пленок на изнашивание упроч-

© Яресько С.И., 2004

ненного инструмента изучалось при точении конструкционной легированной стали 12Х2Н4А резцами из сталей Р18 и Р9К5. Критерий затупления — износ на задней грани, равный 0.4 мм. Режим резания: скорость V = = 40 м/мин, подача S = 0.2 мм/об., глубина t = 1.5 мм, а = у = 8° (а, у — задний и передний углы резца соответственно).

При проведении испытаний фиксировались: величина износа на задней грани через равные промежутки времени, картина износа на задней и передней режущих гранях, усадка стружки при точении острозаточенным резцом, а также длина контактной площадки на передней грани резца.

Финишная операция лазерной обработки резцов по передней или задней граням осуществлялась на воздухе или с поддувом Ar на модернизированной установке «Квант-16» с использованием растра с размером ячейки 4.5х4.5 мм, обеспечивающего равномерный нагрев облучаемой поверхности. Энергия обработки как на воздухе, так и в Ar соответствовала значению температуры на поверхности, меньшей температуры плавления на 5-6 %. Для резцов, облученных на воздухе, она составила 46-47 Дж, а для резцов, облученных с поддувом аргона, — 65-67 Дж.

Построение потенциостатических кривых для анализируемых образцов проводилось на потенциостате марки П-5827М. Масса вещества, прореагировавшего на электроде, рассчитывалась по формуле [2]:

MIt пл

m = —>

n F

где m — масса вещества, прореагировавшего на электроде; M — моль вещества; I — сила тока; t — время задержки потенциала; F—постоянная Фарадея, равная 96 487 Кл  моль-1 и характеризующая количество электричества, необходимое для электрохимического превращения 1 моля вещества; n — число электронов, принимающих участие в электрохимической реакции. Величина «n» берется непосредственно из уравнения реакции восстановления.

Тогда толщина пленки окисла будет определяться

как

, Mit

h = ’ (2) n F р

где i — плотность тока; р — плотность оксида (выбирается по таблице 1).

Эксперименты по определению состава и толщины окисных пленок после лазерной обработки проводились на образцах стали Р6М5 в боратном буфере Na4B2O7

Таблица 1

Значения плотности некоторых оксидов металлов [3]

и Н3В03 (рН 7.4) при следующих характеристиках: плотность тока i = 30 мкмА/см2, площадь образца 5 = = 0.07 см2.

3. Обсуждение результатов

На рисунке 1 представлены результаты потенцио-метрирования оксидов, образующихся на поверхности зоны лазерного воздействия после лазерной обработки стали на воздухе. Отчетливо видны несколько полочек (задержек потенциала). Увеличив масштаб представления данных, можно получить экспериментальные значения времени задержки потенциала, а по значению самого потенциала определить химический состав оксида, который восстанавливался в течение данного времени.

Для выполнения этого было проведено несколько операций.

- По графику определялось истинное значение потенциала восстановления оксида относительно водородного электрода. При этом было учтено, что на графике приведены значения измеренной ЭДС относительно хлорсеребряного электрода: Еизм = Е - Ехсэ, где Е — истинное значение потенциала относительно водородного электрода (величина потенциала стандартного водородного электрода принята за ноль). Отсюда Е =

= Еизм + 0.22 (Ехсэ = 0.22 мВ).

- Поскольку в литературе [4, 5] приведены значения стандартных электродных потенциалов при единичных концентрациях реагирующих веществ, а условия проведения реакций в эксперименте не отвечали стандартным (по концентрациям), то проводился перерасчет этих значений. Например, для реакции восстановления

Fe3O4 + 2Н+ + 2е = 3FeO + Н20 истинное значение электродного потенциала относительно водородного электрода вычислялось по приведенной ниже формуле и было равно величине 2 • 0 059

Е = Е0 +-—-^[Н + ] = Е0 - 0.059pH =

п

= -0.173 - 0.437 = -0.610 мВ.

- Проводилось сравнение полученного из графика истинного значения потенциала с табличным, опреде-

Оксид Fe3O4 M0O3 WO3

Плотность, 103 кг/м3 5.18 4.69 7.16

Рис. 1. Потенциалы восстановления оксидов на поверхности стали Р6М5 после лазерной обработки

Рис. 2. Кривые линейного износа резцов: лазерная обработка не проводилась

лялся тип восстанавливаемого оксида и по формуле (2) рассчитывалась его толщина.

Оказалось, что полученным экспериментально задержкам потенциала соответствуют этапы восстановления оксидов согласно следующим реакциям (после соответствующей реакции указано расчетное значение потенциала восстановления):

1. Мо03 + 6Н++ 6е = Мо + 3Н20 -0.377 мВ,

2. 2WOз + 2Н+ + 2е = W2O5 + Н2О -0.467 мВ,

-0.517 мВ, -0.527 мВ,

5. Fe3O4 + 2Н ++ 2е = 3FeO + Н20 -0.610 мВ.

При этом времена задержек потенциала составили соответственно: 810; 600; 180; 300 и 2100 с. Толщина нанопленок оксидов, образовавшихся при облучении стали Р6М5, рассчитывалась в соответствии с законом Фарадея по формуле (2) и составила:

3. WO3 + 4Н+ + 4е = WO + 2Н20

4. WO3 + 6Н+ + 6е = W + 3Н20

^мо03 ~130 А, hwo3

^№03 ~ 50 А, ^е304

= 300 А, hwo3 “ 45 А, а460 А.

Таким образом, результаты электрохимических исследований показывают, что на поверхности зоны лазерного воздействия инструментальной стали образуется многослойное оксидное покрытие суммарной толщиной ~0.2 мкм. Настоящие данные достаточно хорошо согласуются с результатами расчета [6], согласно которым на массивных металлах и сталях при их нагреве без плавления импульсом миллисекундной длительности образуются достаточно толстые (~ 1000 А) окисные пленки.

Стойкостные испытания инструмента показали, что лазерная обработка на воздухе позволяет регулировать скорость изнашивания резцов на участке приработки (рис. 2). Для неупрочненных резцов среднее время выхода на стационарный участок износа составляет ~20-25 мин, для резцов, упрочненных в среде инертного газа,----10-13 мин и, наконец, для резцов, упрочненных

на воздухе,----3-5 мин, что в 4-5 раз меньше анало-

гичной характеристики для резцов, упрочненных на воздухе.

Кривые износа, представленные на рис. 2, иллюстрируют динамику величины износа резцов на участке

приработки. Уменьшение времени приработки в наибольшей степени наблюдается после лазерной обработки на воздухе по передней режущей грани резцов (рис. 2, в), т.е. в том случае, когда в зоне контакта стружки с резцом (в зоне схода стружки) на передней поверхности инструмента образуется окисная пленка. Эта пленка при резании выполняет роль твердой смазки, вследствие чего уменьшаются коэффициент трения на передней поверхности инструмента и площадь контакта стружки с резцом, соответственно увеличивается удельное давление, наблюдается рост износа инструмента в период приработки и последующее сокращение времени приработки. Визуальные наблюдения поверхности износа по передней поверхности показывают, что в указанных условиях облучения длина пластического контакта /п стружки с резцом уменьшается ~ на 20 %, усадка стружки — на 15-20 % (в отсутствие лазерной обработки величина усадки к ~ 2.52; при лазерной обработке на воздухе к ~ 2.11), а среднеквадратичное отклонение усадки — почти в три раза, что свидетельствует об увеличении стабильности свойств упрочненной поверхности при резании.

Для упрочненных на воздухе резцов износ визуально фиксируется в первые 0.5 мин. При этом скорость износа, оцениваемая в начальный момент точения, составляет 0.1 мм/мин. После облучения в среде Аг и на воздухе по задней грани резцов износ регистрируется, начиная с 1.5-3 мин точения, при этом скорость износа ~0.04-0.06 мм/мин. Для неупрочненных резцов процесс приработки значительно затягивается (рис. 2, а) и происходит со скоростями в 3-5 раз меньшими, чем для резцов, обработанных на воздухе по передней грани.

В течение последующей работы инструмента наблюдалось выравнивание скоростей изнашивания упрочненного и неупрочненного инструмента и общее увеличение стойкости облученных резцов, которое в данном случае составило ~3.8 раза, что следует уже связывать с наличием структурно-фазовых изменений в зоне лазерного воздействия.

Установлено также, что лазерная обработка приводит к изменению условий контактного взаимодействия при резании, что сказывается на изменении механизма и характера изнашивания резцов. После лазерной обработки износ на задней грани резцов происходит с обра-

Рис. 3. Вид поверхности износа на задней грани

зованием канавки на границе фаски износа (рис. 3, а), а без лазерной обработки наблюдается превалирующий износ по всей поверхности задней грани, контактирующей с обрабатываемой деталью (рис. 3, б).

Представленные результаты свидетельствуют о том, что окисная пленка оказывает существенное влияние на трибомеханические характеристики процесса резания, изменяет динамику изнашивания инструмента. Очевидно, что состав облучаемых сталей будет сказываться и на составе окисных пленок. Это приведет к изменению характера изнашивания облученного инструмента при резании на участке приработки и окажет влияние на выбор режима эксплуатации облученного инструмента. Известно, например [7], что снижение интенсивности изнашивания сталей при низких скоростях скольжения и невысоких нагрузках связано с образованием окисла Fe2O3, который предохраняет поверхность от повреждения. С увеличением скорости скольжения и нагрузки возрастает износ пленок Fe3O4. Состав пленок будет определять характер и интенсивность изнашивания инструмента, поэтому необходимо назначать режимы упрочняющей лазерной обработки в зависимости от марки инструментального материала и режимов эксплуатации инструмента.

4. Выводы

1. Электрохимическим способом установлено наличие окислов Мо03, WO3 и Ре304 в зоне лазерной обработки на поверхности быстрорежущей стали, при этом интегральная толщина окисной пленки, полученной при режимах лазерной обработки, соответствующих температуре закалки, составила ~0.2 мкм.

2. Установлено определяющее влияние окисной пленки, образующейся на поверхности зоны лазерного

воздействия, на интенсивность изнашивания упрочненного инструмента на участке приработки. Окисная пленка, оказывая существенное влияние на адгезионную составляющую коэффициента трения, приводит к сокращению времени приработки упрочненного на воздухе по передней грани инструмента в 4-5 раз по сравнению с неупрочненным инструментом. Отличия в составе окисных пленок для различных инструментальных материалов обуславливают изменение характера изнашивания облученного инструмента и свидетельствуют о необходимости назначения режимов лазерной обработки в зависимости от режимов эксплуатации.

3. Доказана целесообразность и эффективность лазерной обработки проходных токарных резцов по передней режущей грани на воздухе. При этом стойкость резцов увеличивается в ~3.8 раза.

Литература

1. Яресько С.И. Анализ процесса резания упрочненным инструментом на основе системного подхода // Препринт ФИАН. - М., 1999.- № 18. - 18 с.

2. Пономарев В.Д. Аналитическая химия. Ч. 2. Количественный анализ. - М.: Высш. школа, 1982. - 288 с.

3. Физические величины: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

4. Справочник по электрохимии / Под ред. А.М. Сухотина. -Л.: Химия, 1991. - 488 с.

5. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. - Л.: Химия, 1978. - 392 с.

6. Бонч-Бруевич А.М., Либенсон М.Н. Нерезонансная лазеро-химия в процессах взаимодействия интенсивного излучения с веществом // Изв. АН СССР. Серия физическая. -1982. - Т. 46. - № 6. - С. 1104-1118.

7. Крагельский И.В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.