автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Износостойкость инструментальных материалов в среде газообразного водорода и физико-химические особенности водорододиффузионной обработки

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

?\* б ОД

1 У СЕН ^

БУРЛАКОВ Андрій Анатолійович

УДК 621:787.785.9.902

ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ У ЮДНЕВОМУ ГАЗОВОМУ СЕРЕДОВИЩІ ТА ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ВОДНЕВОДИФУЗІЙНОЇ ОБРОБКИ

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Хмельницький - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький)

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, доцент

Гладкий Ярослав Миколайович, Технологічний університет Поділля, декан факультету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Шевеля Валерій Васильович, Київський міжнародний університет цивільної авіації, завідувач кафедри фізики;

Провідна установа Вінницький державний технічний університет Міністерств освіти і науки України, кафедра технології підвищення зносостійкості

зованої вченої ради Д 70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за ад] сою: 29016, Україна, м.Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпу<

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Технологічного універсип Поділля за адресою: м. Хмельницький, вул. Кам’янецька, 110/2

доктор технічних наук, професор Никифорчин Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України (мЛьвів), завідувач відділом корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів

Захист відбудеться « 2000 р. о Л

годині на засіданні спецт

Автореферат розісланий __2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, доцент

Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Постійне підвищення продуктивності праці, надійності (овговічності взаємодіючих пар тертя за рахунок інтенсифікації робочих проце-5 призводить до підвищення механічної і теплової напруженості спряжених еле-:нтів. Внаслідок цього на активованих поверхнях відбуваються різноманітні фі-ко-хімічні процеси. В результаті трибо- і термодеструкції мастильно-олоджуючих матеріалів, з оточуючого середовища і контактуючих пар тертя в реважній більшості випадків відбувається виділення газоподібного водню, що изводить до зсуву цих процесів в той чи інший бік і появи водневого зношу-ння, закономірності якого почали вивчати тільки в 70-х роках XX століття. Тому кі теоретичні та експериментальні дослідження в плані подальшого розвитку тань водневої трибології є досить актуальними.

Дослідженням з вивчення водневого зношування конструкційних матеріалів иділяється значна увага, однак відомостей про вплив водню на триботехнічні рактеристики інструментальних матеріалів практично немає. Поштовхом до вчення водневого зношування інструментальних матеріалів послужило розши-ння кола робіт, пов’язаних з використанням водню для зміни фізико-механічної (ізико-хімічної ситуації в зоні «тертя - різання» з метою підвищення зносостій-сті інструментальних матеріалів, продуктивності механічної обробки та покра-іння оброблюваності матеріалів.

Значний вклад у вивчення проблем, пов’язаних з процесами водневого зно-'вання матеріалів (у тому числі і інструментальних) в різних умовах контактної іємодії, внесли Д.М. Гаркунов, А.А. Поляков, А.Ф. Аксенов, П.В. Назаренко,

1. Шпеньков, Я.М. Гладкий, З.А. Станчук, А.П. Шумілов.

В завданнях на наступне тисячоліття, поставлених колективом трибологів

І керівництвом проф. Д.М. Гаркунова, проблема зношування матеріалів під дією дню знаходиться на першій позиції. З цих завдань, на наш погляд, особливо небідно відмітити наступні: розробку методів (методик) дослідження водневого )шування; вивчення процесів наводнювання металів при терті, вивчення влас-юстей наводненого металу при терті та впливу режимів тертя на водневе зно-вання з використанням найсучасніших методів досліджень; вивчення фізико-іічних процесів, що відбуваються в різноманітних парах тертя при водневому )шуванні, та виявлення характеристик реакційної спроможності поверхонь за ними режимами тертя; дослідження в області попередження водневого зношу-шя деталей машин, деревообробного і металорізального інструментів; вивчення альних закономірностей водневого зношування і встановлення областей його івлення; розробка методів подавлення водневого зношування металорізального гревообробного інструментів, інструмента при обробці хутряних виробів.

Відомо, що як при зовнішньому терті, так і при різанні (яке представляє ( бою сукупність пружно - пластичних деформацій, процесів тертя і зношува контактних ділянок), поверхневі шари твердих тіл безперервно підлягають пр но - пластичним деформаціям, а кристалічна гратка викривляється. В резуль руху і взаємодії дислокацій утворюються різного виду дефекти, які сприяють фузії водню в глибину металу. Однак інформації про вплив водню на силу те] інтенсивність зношування приповерхневих шарів інструментальних матері; дуже мало. Тому дослідження впливу водню на зміну зовнішніх характерне тертя, встановлення закономірностей і механізмів зношування інструменталь матеріалів є актуальними проблемами сучасної трибології.

Безперечно, актуальним буде і розширення кола робіт з проблеми водн< дифузійної обробки конструкційних матеріалів, так як кількість досліджень з ної тематики незначна, механізми підвищення зносостійкості ряду інструменті них матеріалів і оброблюваності сталей з різним комплексом механічних вла< востей недостатньо вивчені.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаці робота пов’язана з виконанням перспективного плану науково-дослідної роб викладачів Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) за пріори ним напрямком розвитку науки і техніки “Екологічно чиста енергетика та ре< созберігаючі технології”, сформульованим у Постанові Верховної Ради Укрг №2705 від 16.10.92. Дослідження виконувались також на замовлення виробнич об’єднання “Чернівцілегмаш” (м.Чернівці) та ВО “Новатор” і “Термопл; автомат” (м. Хмельницький), заводу “Електроприлад” (м. Кам’янець-Подільсьі у рамках госпдоговірних робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження впливу навод вання на закономірності і механізми зношування інструментальних матеріалів цій основі розробка технологій отримання водневомістких покриттів для зл фізико-механічної та фізико-хімічної ситуації в зоні різання в присутності газе дібного водню. Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні завдаї

1. Розробити методику проведення дослідів на тертя та зношування інструь тальних матеріалів на повітрі і в середовищі газоподібного водню.

2. Дослідити вплив наводнювання на основні триботехнічні характеристики іі рументальних матеріалів.

3. Встановити мікромеханізми руйнування поверхневих шарів інструменталь матеріалів при терті на повітрі і в середовищі водню.

4. Провести дослідження в області пригнічення водневого зношування тве] сплавного інструментального матеріалу.

5. Сформулювати концепцію можливості підвищення зносостійкості інструмеї

. з

оброблюваності конструкційних матеріалів при зміні фізико-хімічної і фізико-еханічної ситуації в зоні обробки різанням.

. Розробити технологію виготовленій «інструмента-акумулятора» водню і об-іунтувати вибір його схеми.

. Дослідити характеристики процесу різання конструкційних матеріалів з допо-огою «інструмента-акумулятора». Дати наукове обгрунтування впливу водню на ізико-механічні та фізико-хімічні зміни в зоні обробки конструкційних сталей. Провести експериментальні дослідження розподілу контактних навантажень на оверхні інструмента під впливом водню для підтвердження результатів теорети-них розрахунків.

. Розробити рекомендації з використання інструментальних матеріалів при вод-еводифузійній обробці.

Наукова новизна одержаних результатів:

. Встановлені закономірності зміни основних триботехнічних характеристик ін-ірументальних матеріалів, що підлягали випробуванням у водневоповітряному ередовшці. Встановлені механізми зношування інструментальних матеріалів на озітрі і в середовищі водню у відповідному діапазоні варіювання факторами -авантаженням та швидкістю.

. Проведено прямий якісний і кількісний аналіз складу поверхневих шарів тертя онтактної зони пари тертя швидкорізальна сталь - сталь ХВГ з використанням учасних фізичних методів локальних досліджень при випробуваннях на повітрі а в середовищі газоподібного водню. Показано формування в цій зоні специфіч-их легованих воднем структур системи Ме-О-Н, які суттєво підвищують зносо-гійкість швидкорізальної сталі.

. Розроблена наукова концепція забезпечення працездатності та підвищення зно-остійкості інструментальних матеріалів шляхом зміни фізико-механічної і меха-о-фізично'і ситуації в зоні різання конструкційних матеріалів.

. Розроблено новий спосіб подачі водню в зону різання для полегшення процесу гружкоутворення, який базується на створенні спеціального “інструмента-кумулятора”, де джерело виконується у вигляді воденьмісткого покриття або гід-иду інтерметалічного з’єднання.

. Теоретично та експериментально обгрунтований вплив водневого середовища а параметри контактної зони при різанні конструкційних матеріалів, окрихчених процесі їх механо-фізичної взаємодії.

Практичне значення одержаних результатів.

На виробничому об’єднанні «Новатор» впровадження «інструментів-кумуляторів», які працюють за технологією водневодифузійної обробки при ви-онанні різних технологічних операцій дозволило підвищити продуктивність об-обки на ЗО...40%, а стійкість інструментів в 2...3 рази.

Особистий внесок здобувана. Представлені в дисертації наукові та практі чні результати отримані автором самостійно. Постановка задач і обговорення ] зультатів проведені з науковим керівником і частково з співавторами публікацій

Апробація результатів дисертації. Результати доповідались на: науко: конференції «Наукові праці молодих вчених та студентів» (Київ, ДАЛПУ.19971 Міжнародній конференції «Водородное материаловедение и химия гидридов ї таллов» (Ялта, 1999 р.), XXVIII науково-технічній конференції професорсь: викладацького складу за підсумками науково-дослідної роботи (Хмельницькі 1999 р.), наукових семінарах Технологічного університету Поділля (Хмельниі кий, 1998 - 1999 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в п’яті статтях, двох тезах доповідей наукових конференцій, одному патентові на винах

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’* розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і дод ку. Загальний обсяг дисертації становить 165 сторінок, в тому числі 52 рисунка, таблиць і 216 найменувань літературних джерел. Основна частина роботи місті 149 сторінок машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визна ється наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджеі приводиться її анотація.

У першому розділі виконано короткий огляд одного з розповсюджених яв пошкоджуваності матеріалів - водневої крихкості. Проведено класифікацію ви та аналіз існуючих теорій водневої крихкості.

Розглянуто наукові праці з проблем водневого зношування. Основні уявл ня в цій області трибології сформульовані працями Д.Н. Гаркунова, А.А. Поля ва, А.Ф. Аксенова, В.Я. Матюшенко, Г.П. Шпенькова, Ю.С. Симакова, П.В. Нг ренко, А.Г. Клабукова та ін. Проведений аналіз цих робіт показав, що при фр ційній взаємодії в воденьмісткому середовищі на активованій тертям повер протікають складні фізико - хімічні процеси. Встановлено, що в залежності хімічного складу матеріалів пари тертя, часу та умов процесу, концентрації вол і температури відбувається прискорення зношування матеріалів або його галь вання. Крім того, було виявлено відсутність даних щодо впливу водневого сере вища на трибологічні характеристики інструментальних матеріалів. Проаналізс но основні причини і механізми руйнування інструмента і оснастки із швидкі зальної сталі, а також існуючі методи підвищення стійкості різального інструм та. Розділ закінчується постановкою мети роботи та задач, які необхі, розв’язати для її досягнення.

У другому розділі викладені основні методичні аспекти роботи. Як об’єкти зсліджень було використано інструментальні матеріали: швидкорізальна сталь 5М5, тверді сплави ВК6М, Т5К10, які виготовлялись і оброблялись за стандартами технологіями методами литва і порошкової металургії. Оцінку трибологіч-іх характеристик проводили на універсальній машині тертя УМТ-2168 за схе-ою навантаження диск - палець.

Дослідження параметрів процесу різання і контактних напружень на поверх-інструмента проводили на токарному верстаті мод. 1К62М з використанням гіверсального вимірювального комплексу УДМ-600 і спеціально сконструйовано розрізного різця. Спеціальні покриття на інструментальних матеріалах отри/вали за допомогою установки іонно - камерно- вакуумної ННВ-6.6-И1 ТУ 16-

II 013-84.

Структуру матеріалів і поверхонь тертя вивчали на металографічних мікро-опах МИМ-10 та Neophot-ЗО фірми “Carl Zeiss”. Рентгеноструктурні досліджен-1 виконували на дифрактометрі “ДРОН-ЗМ”. Фазовий аналіз поверхонь тертя юводили на рентгенівському мікрозонді MS-46 фірми «САМЕСА». Електронну руктуру і хімічні зв’язки вивчали за допомогою фотоелектронного спектрометра Lratos Series 800” (U.K.). Дослідження мікротвердості здійснювалися з викорис-нням приладу ПМТ-3 за стандартною методикою, шорсткість поверхні визнача-. профілометром мод. 209, дюрометричні вимірювання проводили на аналітич-

іх вагах BJIP-200 ГОСТ 24104-88. Кількісні експериментальні дані оброблялись допомогою методів математичної статистики і представлялись графічно.

Третій розділ присвячено експериментальному дослідженню закономірнос-й зміни основних триботехнічних характеристик і визначенню механізмів зно-/вання інструментальних матеріалів на повітрі та в середовищі газоподібного дню при зміні параметрів навантаження і швидкості відносного переміщення верхонь тертя.

Проаналізовані основні можливі трибохімічні реакції на контактних ділянках ідослідних інструментальних матеріалів, що відбуваються під впливом оточую-го середовища.

Показано, що в процесі тертя швидкорізальної сталі Р6М5 у воденьмісткій носфері відбувається зменшення інтенсивності зношування, коефіцієнта тертя і ітератури в усьому діапазоні зміни силового та швидкісного факторів (рис.1).

Мікроструктурні та рентгеноструктурні дослідження показали, що при терті, аслідок поверхневої локалізації взаємодії твердих тіл, протікають швидкоплинні оцеси інтенсивної пружно-пластичної деформації, нагріву, масопереносу і охо-цження. Це призводить до утворення на поверхнях тертя неврівноважених стру-ф, властивості яких принципово відрізняються від властивостей вихідних мате-лів. Головну роль у формуванні вказаних неврівноважених структур відіграють

активні елементи робочого середовища трибосистеми. В роботі визначено мех; нізми зношування контактуючих поверхонь.

(5*760 Н/мм

1

4 ч ч » 3

2 *- - - .

0.5

25 М V, м/хв

Тертя на повітрі

20 28 ао V, м І.

. Тертя в середовищі водню

Рис.1. Закономірності зміни інтенсивності зношування (ІД) і коефіцієнта тертя (3,4) швидкорізальної сталі Р6М5 при дослідженні на повітрі та в середовищі газоподібного водню в залежності від швидкості ковзання

Так, при випробуванні на повітрі на малих швидкостях ковзання (15 м/хв початковий період припрацювання має місце пружно-пластична деформація верхневого шару зразка, що призводить до утворення сильно здеформован шару матеріалу, структурні елементи якого орієнтовані і витягнуті в напрямку ковзання. Ця суцільна зона чітко виявляється на металографічних шліфах пі травлення і названа “білим шаром”. Вона має структуру мартенситу, карбідії залишкового аустеніту. Поряд з підповерхневими процесами відбувається зк шення відстані між контактуючими ділянками поверхні і поява металевих зв’яз При такій швидкості практично не утворюються захисні окисні плівки. РуйнуЕ ня поверхні відбувається наступним чином: спочатку утворюється метале зв’язок на окремих ділянках поверхонь тертя, потім подальше переміщення г зводить до зміцнення металу в місці утворення зони охоплення, виривання Мі левих складових і дряпання зміцненим місцем контактних поверхонь. Осно площа поверхні зразка покрита здеформованим неокисленим шаром основі металу з частковим утворенням з нього захисних структур типу Ме203. Ре площі являє собою механічну суміш матеріалів тіла і контртіла - результат ро: ву металевих зв’язків з частковим формуванням окислу типу Ме203. Під повер;

ю розташовується “білий шар” і матриця основного матеріалу.

Подальше підвищення швидкості ковзання до 20 м/хв. приводить до суттєвих ін в будові контактної зони: одночасно з протіканням пружно-пластичної де-ірмації металу відбувається прискорення адсорбції кисню поверхнями тертя і фузії останнього в глибину здеформованих об’ємів. Швидкість процесу окис-ння стає домінуючою і система виходить на оптимальний режим роботи. На крорівні це виражається тим, що поверх деформованого основного металу -ілого шару” лежить шар суцільних вторинних структур (окислів типу Ме203), ворених із нього. Такий механізм зношування має місце і при подальшому підщепні швидкості з мінімальним навантаженням. Зі збільшенням швидкості до м/хв. з’являються умови для початку масопереносу елементів контактуючих тіл ;исшо з робочого середовища, внаслідок чого на поверхні зразків формується ханічна суміш продуктів їх взаємодії, яка після нашаровування і окислення до г203 екранує поверхню від схоплювання. На ще більших швидкостях (до 30 хв.) процес масопереносу і наступного окислення інтенсифікується і на макрорі-і проявляється в збільшенні інтенсивності зношування і коефіцієнта тертя. Ха-ктерною особливістю роботи трибосистеми на повітрі є збереження співвідно-:ння атомних концентрацій кисню з залізом у вторинних структурах системи г-0 при зміні їх абсолютних значень у межах См/С0»2/3. Такий механізм ошування має місце і при подальшому підвищенні швидкості з мінімальним вантаженням.

При роботі пари тертя в водневоповітряному середовищі будова контактної ни має свою специфіку. При мінімальних швидкостях і навантаженнях зношу-ння поверхні відбувається переважно шляхом утворення та руйнування метале-

х зв’язків на окремих ділянках поверхонь, виривання металевих складових і япання контактних поверхонь (адгезійне і абразивне зношування). Тому при ому режимі спостерігаються підвищені значення інтенсивності зношування і ефіцієнта тертя. Зі збільшенням навантаження до 750 Н/мм2 процес припрацю-ння закінчується граничною фрагментацією і зміцненням поверхневих шарів теріалу, в результаті чого формується тонкий шар захисних вторинних структур жчих окислів типу МеО, легованих воднем, які добре тримаються матеріалу нови і виступають бар’єром для утворення ювенільних поверхонь при терті, ічинаючи з цього режиму, трибосистема входить в оптимальний стан роботи, дова зони тертя наступна: поверх матриці основного металу формується суціль-й шар вторинних захисних структур. Аналіз вторинних структур показав, що ганні являють собою нижчі окисли, “леговані” воднем, типу МеО(Н) і моногід-окисли типу МеОН з різною стехіометрією, які несуть основне навантаження.

: забезпечує невисокі значення коефіцієнта тертя і мінімальний знос. Наявність язаного в сполуки з металом водню визначали прямим методом - аналізом вто-

ринних структур на поверхні зразків методом фотоелектронної спектроскопії. Н рис. 2 приведені фотоелектронні спектри 0( 1б ) і Ре( 2рЗ/2 ), отримані від сп дартних сполук Ре2Оз, Ре304, РехО і РеООН, взятих з робіт В.І. Нефедова та К. Вандельта, а також фотоелектронні спектри, отримані в даній роботі від пов« хні тертя. Як бачимо, фотоелектронний спектр від поверхні тертя найбільш под ний до спектра РеООН, хоча і не повторює останнього. Так, характерною особі вістю фотоелектронного спектра 0(1 б) від поверхні тертя є те, що тут спостері

Рис.2. Фотоелектронні спектри 0(1*) і Ге (2рЗ/2), отримані від стандартних Рег03, Ре304, Ке, РеООН, а також фотоелектронні спектри, отримані від поверхні тертя

ться два піки з енергіями 530,6 еВ і 533,4 еВ, а спектр заліза Ре(2р3/2) має енер-ю 710,5 еВ. Спектр кисню 1б в усіх окислах знаходився поблизу значення енергії 30,3 еВ, незалежно від способу отримання, стехіометрії та інших особливостей, в )й час, як другий пік з енергією, близько 531,5 еВ, належить виключно взаємодії гомів кисню з воднем ОН'. У випадку поверхні тертя фотоелектронний спектр (1б) також відображає взаємодію атомів заліза з киснем - пік 530,6 еВ, а атомів існю і водню - пік 533,4 еВ. Різниця в енергіях зв’язку в порівнянні зі стандарт-им гідроокислом, з нашої точки зору, пояснюється формуванням на поверхні :ртя в умовах термомеханічних впливів сполуки, яка відрізняється стехіометрі-

о, дисперсністю та іншими параметрами від стандартного гідрооксиду.

Накопичення моногідроокислів в продуктах зношування і наступний перенос : на поверхню тертя сприяє мінімізації тертя і зносу в парі, а значне зниження :мператури на фрикційному контакті при утворенні сполуки стримує перехід ІеО (ОН) => 0(Ме203). Оптимальний режим для системи зберігається в усьому іапазоні швидкостей ксівзання в умовах малих та середніх навантажень. Зі збіль-:енням навантаження інтенсивність зношування починає повільно підвищувань. В роботі показано зв’язок між ростом товщини плівок вторинних структур і контактних поверхнях та швидкістю зношування. Так, з ростом товщини плівки іільшуються сили пружності в ній і на границі між основою. При деякій товщині зоходить втрата стійкості, наступають миттєві зміщення і плівка стає крихкою.

Встановлено, що концентрація О+Н в легованих воднем вторинних структу-іх Ме-О-Н корелює з концентрацією в них заліза: при зміні абсолютних значень ііввідношення атомних концентрацій зберігається близьким до СМе/С0+н «1/1.

Досліджено вплив воденьмісткого середовища на трибологічні параметри мі випробуванні твердосплавних матеріалів груп ТК і ВК, проаналізовано основі можливі трибохімічні реакції в зоні тертя. Результати випробувань (рис.З) свід-іть про те, що в середовищі газоподібного водню для різних співвідношень вхід-іх параметрів спостерігається зниження величини коефіцієнта тертя і підвищені інтенсивності зношування. Особливістю процесу є те, що початок прискорено> зносу спостерігається не одразу, а через певний проміжок часу. В роботі пока-іно, що відповідальним за таку поведінку матеріалу є гідрофільний стан поверх-;вого шару.

У четвертому розділі розглянута концепція підвищення зносостійкості рі-ільного інструмента і продуктивності механічної обробки за рахунок викорис-іння потужного водневого впливу. Крім підвищення зносостійкості інструмента, роботі ставилося завдання вирішення проблеми покращання оброблюваності атеріалів, особливо важкооброблюваних сталей та сплавів, що дають зливну ружку.

, 1°

<2-800 Н/им 0-1200 К/мч1

Рис. 3. Закономірності зміни інтенсивності зношування (1,2) і коефіцієнта тертя (3,4) зразків твердого сплаву марки ВК6М при випробуваннях на повітрі та в середовищі газоподібного водню в залежності від швидкості ковзання

Враховуючи важливість зміни фізико-хімічної та механо-фізичної ситуації зоні тертя та різання під дією водню, в роботі проведено пошук джерел водню, к відповідають умовам невисокої вартості, безпеки в експлуатації, тривалості вик ристання та високої швидкості водневіддачі з можливістю підзарядження. Запр поновано дві принципові схеми «інструментів-акумуляторів», з яких в прощ роботи здійснюватиметься подача водшо (рис.4) в зону стружкоутворення, и складаються з інструмента і акумулятора водню - гідриду металу або інтермет лічної сполуки. Розроблено технології виготовлення «інструментів - акумуляї рів» за вказаними схемами. Згідно схеми рис. 4а, покриття наноситься на різап ний інструмент в два етапи: спочатку хімічним методом наноситься захисні бар’єрний шар на основі хрому, потім наноситься шар титану товщиною 100...2 мкм з наступним наводнюванням: шляхом електролітичного насичення; в атмс фері очищеного водню при температурі 600° С до повного насичення; шлях» занурення на 3...5 хвилин в розчин соляної кислоти, в результаті чого утворюєт ся гідрид титану. Особливістю розробленого комплексного покриття є те, що пр цес дисоціації з нього водню починається при температурі 473° К, а виділен водень не має можливості проникати в матеріал твердосплавного інструмент; впливати на його фізико-механічні властивості, а транспортується в зону максимаї них напружень і високих температур. На рис.4б показана схема подачі водню з вні коємних акумуляторів водню - гідридів інтерметалічних сполук, що вибираються в

шежності від умов роботи. Виділення газу виконується шляхом температурної исоціації.

Акумулятор водню

Інструмент

Наводнений шар

Рис.4. Схеми подачі водню в зону різання конструкційних матеріалів

Дослідження ефекту водневого окрихчення оброблюваних матеріалів з ме-ою підвищення зносостійкості робочих поверхонь і продуктивності механічної бробш проводили при поздовжньому точінні на матеріалах, які відрізняються за імічним складом і структурою: сталь Ст.З; нержавіюча сталь 03Х18Н10Т; лего-ана конструкційна сталь 40Х в стані поставки і термічно-зміцненому стані (поращена); жароміцний сплав ХН35ВТЮ. Результати деяких досліджень наведено табл.1. '

Таблиця 1-

Відносна зміна деяких характеристик процесу різання матеріалів «інструментом-акумуляторои» в порівнянні зі звичайним інструментом

Оброблюваний матеріал Інструментальний матеріал Відносна зміна параметрів процесу різання та зносу

V ’ оггг» % Рг, % Рх, % Ру, % Кь, % АЬ„ разів

СтЗ Р6М5 34 42 33 22 22 2

40Х -II- 43 63 50 45 57 2,5

03Х18Н10Т -II- 34 60 150 88 60 2,8

40Х ВК6М 27 20 - - - 2,2

ОЗХ18НЮТ -II- 33 35 32 15 50 2

ХН35ВТЮ -//- 36 114 100 ЗО 63 3

За даними випробувань встановлено зв’язок між ефектом, викликаним вод-[еводифузійною обробкою і властивостями конструкційних сталей: чим вищі міц-іість сталі та ступінь її легування і чим гірше вона піддається обробці різанням, им ефективніша дія водню. Крім того, результати аналізу мікротвердості поверх-

ні інструмента з швидкорізальної сталі при роботі на оптимальних швидкостях і середовищі водню показали, що вона підлягає водневофазовому наклепу. Мікр твердість робочої поверхні підвищується в 1,6 рази у порівнянні з мікротвердіст інструмента в стані поставки, ного не спостерігається в умовах різання на повіті Це свідчить про однотипність механізмів підвищення зносостійкості поверхої інструмента при різанні та поверхонь зразків, випробуваних шляхом моделюваш на універсальній машині тертя.

Значне зменшення температури в зоні різання дає можливість інтенсифікув ти режими механічної обробки і тим самим підвищувати продуктивність пращ.

Аналіз характеру взаємодії процесів, які мають місце в зоні різання при во, неводифузійній обробці матеріалів, показав, що в області оптимальної швидкос забезпечується раціональний стружковідвід за рахунок зміни механізму стружко-утворення. Для пояснення механізмів руйнування матеріалів під дією водню роботі було проведено серію дослідів при ортогональному різанні сталі Ст.З інс рументом із Р6М5 зі зміненою фізико-механічною ситуацією в зоні обробки і д< слідів на розтяг попередньо наводнених зразків з використанням методу акусти1 ної емісії. Результати розрахунків і візуальних спостережень говорять про те, її матеріал руйнується крихко при меншому навантаженні, розрив міжатомні зв’язків і структурних елементів супроводжується зменшенням зусиль руйнуваш та збільшенням сплесків значень сигналів акустичної емісії в зоні стружкоутві рення.

П’ятий розділ присвячено аналізу напружено-деформованого стану повер: ні різального інструмента. Представлено фізико-математичну модель впливу во, ню, що дисоціює з поверхні інструмента, на процеси в зоні стружкоутворення здійснена її експериментальна перевірка.

Процес водневодифузійної обробки в теоретичних дослідженнях розглядаї ться як стаціонарний режим при умові існування постійного джерела газоподібж го водню, вплив інших середовищ не враховується. Завдяки тому, що швидкісі дифузії водню в метал відповідна швидкості різання, фізичну модель водневоді фузійної обробки можна уявляти у вигляді водневої хмари попереду різальног клина, а зміна фізичних процесів відбувається в зоні її дії. Якщо різання проводі ТЬСЯ твердосплавним інструментом, ТО ШВИДКІСТЬ дифузії ВОДНЮ (идиф=1...1,5 м/< менша швидкості різання (орп=1,5...3 м/с), тому водень не може проникнути зону площини зсуву елемента стружки і діє тільки на стружку. При різанні інс-рументом з швидкорізальної сталі одиф і иріз досягають однакової величини (1... 1, м/с, тому воднева хмара може впливати на зону первинної деформації і окрихч; вати її. Опис процесу термодифузії водню грунтується на відомому лінійному ріі нянні масопереносу:

J= -Б у <1С/<ІХ - Рі ■ сІв/<±с, (1)

іе J-потік речовини; О, - коефіцієнт дифузії водню; ііС/сіх - градієнт концентра-

гії С/ в напрямку переносу х; еІСУск -градієнт температури; /^-коефіцієнт прогіор-[ійності; Рі=Оі<2іС/ІІвіРі (Я - газова постійна, в -температура процесу). Пара* іетр <2і -так звана «теплота переносу»-оцінюється експеримеїпально і визначає нак та величину термодифузійного ефекту. В основі цього ефекту лежить той [>акт, що для водню частота міграцій атомів у високотемпературну зону вища, ніж і низькотемпературну, тобто розчинений в металі водень концентрується в най-їільш гарячій області.

Потік водню під дією градієнта напружень:

/= -0,[(с1С/сЬс - С(У/ЗЯв)(сі2У(к))], (2)

іе V - парціальний молярний об’єм розчиненого водню; Е- - сумарні

іапруження.

Зміна опору деформуванню:

(І(Т=:-с[(ГІСІв-СІв + СІОісіє-сіе + с[<тіСІЄ-СІЄ , (3)

іе Є - ступінь деформації; є - швидкість деформації; <т - опір деформуванню. Напруження руйнування при наявності водню в металі:

<*,=<*<» + о-*, = -Щ&яСЇ., (4)

хе <тап - статичне напруження в металі під впливом водню, <тш = рНіІ Бпп ріи =103 МПа - Тиск молізованого в дефекті металу водню; - площа поверхні іефекту; п - кількість дефектів; 0лт - динамічне напруження в металі, сг1т = Pг/^ •/; Рг - сила різання; - енергія адсорбованої поверхні; Е - модуль іружності. '

Концеїгграція водню в металі оцінюється співвідношенням:

Сі=Рн /Оік або Сі = Рн Ю1кр, (5)

з,е РПі - воднепроникність матеріалу, р- питома вага.

Максимальна глибина проникнення водню в метал оцінюється або за формулою:

у„ = Оі/кТЕцт/ЗОЬ, (6)

це Е„ - енергія зв’язку з дислокацією (£„ для водню складає десяті долі еВ );

. 14

л: - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура; Ь - вектор Бюргерса; тр-тривалість пластичної деформації (тому що, на нашу думку, основним транспор тером водню в глибину металу є дислокації, і ефективність транспортування вод нк> таким шляхом значно вища граткової дифузії. Зустрічаючи на своєму шлях; різного роду дефекти (пори, мікропустоти тощо), дислокації звільняються від вод ню, який концентрується біля включень); або за формулою:

у^К)сІЕ-ст, (7

де К,е - коефіцієнт інтенсивності напружень.

Механізм руйнування матеріалу воднем базується на молізації атомарной водню в дефектах кристалічної гратки, послаблює границі кристалів і знижує силі зчеплення на площинах спайності, виникають умови для утворення перенапруже них зон, що призводить до зародження підповерхневих тріщин, зниження механі чних характеристик оброблюваного матеріалу і полегшення процесу стружков ід воду.

Розроблена математична модель на базі методу скінченних елементів да можливість оцінювати величину та характер розподілу контактних напружень н поверхні різального інструмента з врахуванням зміни механічних властивосте оброблюваного матеріалу під дією температурно-швидкісного фактора. Перевірк отриманих результатів проводилась шляхом порівняння розрахункових значен параметрів контактної зони з експериментальними даними при точінні сталей Ст. та 20 розрізним твердосплавним різцем Т5К10 і показала задовільну відповідніст розробленої моделі реальному процесу.

ВИСНОВКИ

1. Досліджено закономірності тертя та зношування інструментальних матеріалі в середовищі газоподібного водню. Встановлено, що процес зношування швидке різальної сталі Р6М5, твердих сплавів груп ВК і ТК на повітрі і у водневому сере довищі характеризується існуванням для них деяких діапазонів мінімальних си тертя і інтенсивностей зношування, обумовлених утворенням дисипативної струь тури.

2. Встановлені чіткі розбіжності в мікромеханізмах зношування зразків швидкор зальної сталі Р6М5 при випробуваннях на повітрі і у водневоповітряній атмосфер Показано, що на повітрі еволюція пружно-пластичної деформації контактної зон в період припрацювання призводить до утворення “білого шару” (сильно здефо{ мованого шару основного матеріалу), структура якого представляє собою мартеї сит, карбіди і залишковий аустеніт.

!. Встановлено формування на поверхні тертя, легованих воднем, субмікроскопі-ших плівок вторинних захисних структур типу МеО-(Н) та МеОН, товщиною юрядку 1-2 мікрометрів, які екранують матеріал від механічної і фізико-хімічної іеструкцій, що постійно утворюються шляхом циклічної динамічної рівноваги і саморегулювання процесів трибоактивації і пасивації в усьому діапазоні зміни фактора навантаження - швидкості. Відмічено, що концентрація (О+Н) у вторин-шх структурах, утворених в середовищі водню, корелює з концентрацією в них (апіза: при зміні їх абсолютних значень співвідношення атомних концентрацій Ме (О+Н) зберігається близьким до СМе/Со+н« в то“ час’ як У структурах, отриманих на повітрі, співвідношення атомних концентрацій Ме і О зберігається бли-іьким до СМе/С0 « 2/3.

1. Підтверджена можливість забезпечення високої працездатності різального інструмента, підвищення продуктивності механічної обробки та покращання оброб-иованості конструкційних матеріалів за рахунок зміни фізико-хімічної і фізико-леханічної ситуації в зоні обробки під впливом газоподібного водню. Представле-іо дві принципові схеми подачі водню в зону тертя-різання з поверхневих шарів «несеного на різальний інструмент гідридного покриття та акумуляторів водню. Розроблені технології нанесення воденьмістких покриттів на поверхню різальних нструментін та застосування акумуляторів водню з метою підвищення продукти-шості механічної обробки.

5. Відмічено двояку дію водню на поведінку швидкорізальних і твердосплавних нструментальних матеріалів при випробуваннях на тертя та зношування, що про-івляється в підвищенні зносостійкості швидкорізальних сталей і в інтенсивному шошуванні твердосплавних матеріалів груп ВК і ТК, обумовлених окисно-іідновлюючою та дифузійною здатністю водню при певних температурно-:иловігх режимах випробування. Для захисту поверхні твердосплавного інструментального матеріалу від прискореного зношування запропоновано використо-іувати бар’єрний шар спеціального покриття на основі хрому.

). Експериментальна перевірка працездатності «інструментів-акумуляторів» в /мовах експлуатації показала, що робота інструментом марки Р6М5 підвищує іносостійкість до трьох разів, оптимальну швидкість на 35%. Робота твердосплавнім інструментом забезпечує зменшення зносу до трьох разів при збільшенні оптимальної швидкості на 36%.

1. На основі аналізу результатів експерименті^ із ортогонального різання і розтягу іразків із сталі Ст.З з використанням методу акустичної емісії та візуального спостереження виявлено зміни в механізмах стружкоут(і.орення і руйнування під шливом водню.

8. Розроблена фізико-математична модель, що дозволяє оцінити вплив наводнювання на параметри контактної зони при обробці матеріалів різанням. Експері ментальні дослідження, проведені за допомогою розрізного різця, показали зм< ншення величини контактних напружень, довжини ділянки контакту інструмента стружки та ступеня пластичної деформації зрізаного шару, що, в свою чергу, cs льно впливає на характеристики зносостійкості і контактної міцності інструмента

9. Аналіз характеру взаємодії процесів, які відбуваються в зоні стружкоутворенн підтвердив гіпотезу, що використання водню дозволяє керувати процесами мех; нічної обробки різанням конструкційних матеріалів за рахунок раціональної стружковідводу, підвищення стійкості і надійності інструмента і зміни темпера^ рно-силових полів в зоні різання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А., Грипачевский А.Н., Тихонович В.В. Износостоі кость инструментальных материалов в среде газообразного водорода //Проблем трибології (Problems of Tribology). - 2000. - № 1. - C.61 - 66.

2. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А., Бысь С.С. Водородное изнашивание. Проблемы реальность//Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2000. - №1. - C.94 - 9;

3. Гладкий Я.М., Бурлаков А.А., Ковтун II. Дослідження фізико-механічних влас тивостей конструкційної сталі СтЗ під впливом водню з використанням метод акустичної емісії // Вісник Технологічного університету Поділля.- 1997. - №1. С.22-26.

4. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А. Повышение работоспособности режущего инст румента за счет нанесения специальных покрытий на его поверхность //Проблем трибології (Problems of Tribology). - 1998. - №1. - С. 118 - 120.

5. Определение температур и контактных нагрузок на поверхностях режущег инструмента. /Р.И. Силин, Я.Н. Гладкий, Н.П. Мазур, А.А. Бурлаков //Актуалы проблеми техніки та суспільства: 36. статей викладачів та наукових співробітник! ТУП.-Хмельницький: ТУП. - 1996. - Вип.2.-С.84-90.

6. Патент України №23912 А від 31.08.98. Спосіб підвищення стійкості ріжучог інструменту та оброблюваності конструкційних матеріалів //Р.І. Сілін, Я.М. Гла; кий, А.А. Бурлаков, В.О. Осгаф’єв.

7. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А., Антонова М.М. Использование гидридов HHTef металлических соединений для повышения работоспособности режущего инстр\ мента и обрабатываемости конструкционных материалов / Тез. докл. междуна; конф. - Ялта, 1999. - С.264-265.

Бурлаков А.А. Зносостійкість інструментальних матеріалів у водневому

еловому середовищі та фізико-хімічні особливості воднево дифузійної обробки. -укопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спе-іальністю 05.02.04. - тертя та зношування в машинах. - Технологічний універси-ет Поділля, Хмельницький, 2000.

Дисертація присвячена вивченню нового, пріоритетного напрямку - дослі-женню водневого зношування інструментальних матеріалів. В роботі встановле-о наукові закономірності та механізми процесів тертя та зношування у водневому ередовищі, на підставі чого розроблено технологічні прийоми підвищення зносо-гійкості інструмента, продуктивності механічної обробки і покращання оброб-юваності конструкційних матеріалів шляхом зміни фізико-хімічної і фізико-ехашчної ситуації в зоні тертя-різання. Проведена оцінка працездатності інстру-ентапьних матеріалів. Розроблена фізико-математкчна модель водневодифузій-ої механічної обробки.

Ключові слова: тертя, водневе зношування, зносостійкість, інструмент, інст-ументальні матеріали, водень, воднева крихкість, оброблюваність.

Бурлаков А.А. Износостойкость инструментальных материалов в среде

сообразного водорода и физико-химические особенности водорододиффузион-ой обработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по гениальности 05.02.04. - трение и износ в машинах. - Технологический универ-гтет Подолья, Хмельницкий, 2000.

Диссертация посвящена изучению нового, приоритетного направления в со-эеменной трибологии - исследованию водородного изнашивания материалов. В йботе установлены научные закономерности и механизмы процессов трения и знашивания таких инструментальных материалов, как быстрорежущая сталь 6М5 и твердые сплавы Т5К10 и ВК6М в среде газообразного водорода. С приме-гнием новейших методов исследований проведено изучение процессов наводо-шивания материалов при трении и их свойств; влияние режимов трения на во-эродное изнашивание; изучены сопровождающие трение физико-химические эоцессы; установлены характеристики реакционной способности поверхностей

при различных режимах трения; проведены исследования в области подавлени водородного изнашивания.

. Результаты триботехнических испытаний послужили основой для разработ технологических приемов повышения износостойкости режущего инструмент повышения производительности механической обработки и улучшения обрабат ваемости конструкционных материалов путем изменения физико-химической механо-физической ситуации в зоне трения-резания под действием водорез Проведена экспериментальная оценка эффективности работы инструментальм материалов в процессе водорододиффузионной механической обработки. РазраС тана физико-математическая модель, позволяющая оценить параметры конта! ной зоны на поверхности инструмента с учетом наводораживания, трения и те пературно-скоростного фактора.

Ключевые слова: трение, водородное изнашивание, износостойкость, hhi румент, инструментальные материалы, водород, водородная хрупкость, обрабат ваемость.

Burlakov A.A. Instrumental materials wear resistance in the hydrogen gasec medium and physical-chemical peculiarities of the materials hydrogen-diffus processing. - Manuscript.

Thesis for candidate of science scientific degree obtaining, speciality 05.02.04 machines’ friction and wear. Technological university of Podillya, Khmelnitskiy, 200'

The thesis is devotes to a new case study - instrumental materials’ hydrogen w research. Scientific regularities, friction and wear processes mechanisms in the hydros medium are determined in the study, on the basis of what the technological techniq of tool wear resistance increase, the mechanical processing productivity < constructional materials workability improvement by means of physical-chemical ; mechano-physical situation change in the friction-cutting zone succeeded to developed.

The instrumental materials’ working capacity estimation was carried out. Physi< chemical model of hydrogen-diffusive mechanical processing was developed.

Keywords: friction, hydrogen wear, wear resistance, tool, instrumental materi hydrogen, hydrogenous fragility, processing.