автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение обрабатываемости резанием жаропрочных материалов путем применения СОЖ с оптимальными окислительными свойствами

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

ГОРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХ!Е1ЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Для служебного пользования Экз. № /У-/У На правах рукописи

тараров александр германович

УДК 621.9.079: £21.892

повышение обрабатываемости резанием еаропрочшд материалов путем применения сон с оптимальными окислительными свойствами

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки; станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических игук

Горький 1990

(лО 1

иъ

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Ивановского государственного университета жени первого в России Иваново-Вознесенского Совета рабочих депутатов.

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических • наук, профессор В.Н.Латышев

Официальные оппоненты:

доктор технических, наук, профессор Ю.Г.Кабаддин кандидат технических наук, доцент В.М.Тихонов

Ведущее предприятие: ' "

Шуйский машиностроительный завод им. М.В.Фрунзе

Защита состоится " 16 " ...ИМбр®.... 1990г. в 13 часов на заседании специализированного совета К 063.85.07 в Горьковском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте по адресу: 603600, г.Горький, "ГСП-41, ул. Минина, д.24, -' корпус 1, ауд, 210 .

С диссертацией мелено ознакомиться в библиотеке института. .

Автореферат разослан " " ............... 1990г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент

АННОТАЦИЯ

В диссертации изложены результаты исследования влияния окислительных свойств СОЕ на обрабатываемость резанием гкаролооч-ных материалов - молибдена, тантала, титана, никеля, няобшт. Исследовалось образование б зоне контакта оксидов, разлкчатцихся по стехиомэтрии и физико-химическим свойствам. Описаны экспериментальные установки по изучению: а/ процесса пассивации .металла при взаимодействии с COS; б/ проводимости окислов, образуются при резании ня повзрхносгях детали, инструмента и стругски; в/ свойств оксидных, пленок в условиях трения в соеде электролитов с наложением потенциала,

' Установлено, что оптимальная окислительная способность COS может достигаться варьированием'концентрацией растворенных присадок/неорганических солей и ингибиторов коррозии/, обладающих донооно-акцепторныш свойствами. Выявлено, что химически ■ активные присадки: данного типа изменяют механические свойства окисла за счет'легирования по катионной или анионной подрешеткам окисла. Обнаружена корреляция мевду эффективностью COS и' отклонениями от стяхиомотричэского состава образующихся при резании окислов чистых тугоплавких металлов на операциях точения, сверления, растачивания. . '

COS, образующие'в зоне резания полупроводниковые окислы с р-типом провод"мости, при определенном сочетании обрабатываемого и инструментального материалов обусловчивают более высокие технологические показатели обработки.' Оптимальное соотношение концентраций солей и органических ингибиторов коррозии позволяет повысить эффективность СОН почти до уровня эффективности четырох-хлористого угл-пода' и обеспечить при этом требуемые санитарно-гигиенические ношы эксплуатации СОК.

Автор зацииае«.

1., Вновь разработанные продставлеши о влиянии OOS на настехио-. мотрикгобразувдтгхсяг в контактной эоно оксидов л об их воздействии на параметры. процесса резания. 2. Способ управления структурой и свойствами поверхностных ¡пенок за. счот контролируемой валентное"-" легирования оксидных

полупроводников, я. Определяющую иолъ концонтпащи доното-акпепторных химически

активных поисядок на окислительную способность СОЕ. 4. Применение структугао-чувствительного метода для экспресс-вы-бопа СОд, основанного на явлении внутреннего фотоэоиекта в полупроводниковом окисном слое.

0Ы1АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Перспективный. план пазвптия машиностроения СССР на 198£-2СООг.г. предусматривает резкое увеличение объема пооизводства и обработки- особо чис- ■ тых .та?с опалов /монокркстачлов ствхиометгаческого состава, сверхпроводящей керамики, тантала,- ниобия, вольфрама,'.молибдена реши и до./, а также тпуднообрабатываемых сплавов- с заданными свойства:,'.;! /ковар, инвар, платинит, нарогтрочные сплавы и т.д./. Возрастают требования к СОЖ как к обязательному элементу технологического обеспечения операции резания. Необходимость разработка основ общей теоояи действия СОЕ отпахсеня. во Всесоюзной научно-технической программе т^КГ СС,П°,иа 1986-1990г.г. 0.03.02: "Создать и освоить производство высококачественных'смазочных ма- -ториалоз, в том числе универсальных сортов, обеспачиваода.унификацию, сокращение ассортимента, оптимизацию их качества, присадок к смазочным материалам, а также смазочных материалов,, реализующих эффект безызносностй при трении".; Всесоюзной научно-техническом прогреми Ш1Т СССР 0.16.10: "Создание и освоение СОЖ : для металлообрабатывающих модулей и гибких автоматизированных систем". Хоздоговорных научно-исследовательских работ, выполненных с предприятиями п/л А-7302, А-1994, Х-5476 при участии . автора включены в план важнойншх работ Минэлектрошрома СССР. 1

Наиболее сложным и в то жа время перспективным направлением работ явлдстсл изучение смазочных функций среды. По этоь.у пути идут лсследог'-глч по разработке < ових составов СОЖ, Наличие ол,:сл/лтльчых И1 оцвссоь, протвкагвз« на контактных поверхностях, обусл.>злш образование окисных лленок, различавшихся по структура п физ^'о-хлинаскш' свойствам, от которых зависят технологический параметры обработай!. Проблема управления структурой и свойствами оксидных пленок, образующихся в условиях ра-

занял, является наиболее актуальной. Изучая нарушения стехиометрии поверхностного окисла с помощью комплекса структурно-чувствительных методов анализа, а также применяя метод управляемой валентности легирования оксидных полупроводников, можно получить в зоне резания поверхностные окислы с заданными свойствами, обеспечиваквдими снижение внешнего трения в зоне резания.

Цель работы. Повышение-обрабатываемости резанием труднообрабатываемых материалов за счет применения смазочных сред на основе исследования физико-химических свойств позорхност-нкх пленок металлов, образующихся в активных средах с оптимальными садслительншп. свойствами с учетом требований проысагштарии и экологии.

Научная новизна.

1. Экспериментально доказано, что эффективность окис-литоль-ных-процессов,при.резании сводится к образовании на контактных поверхностях полупроводниковых окисных пленок с оптиканышы отклонением от стехиометрии. "

. 2. Установлено, что химически активные присадки к CCS изменяют механические свойства поверхностного слоя за счет легирования по катионной или анионной подреыеткам окисла,

3. Выявлены закономерности," определяющие окислительную способность среды при варьировании концентрации ингредиентов COS.

4..Установлено, что растворы саней высоких концентраций, выбранных по правилу управляемой валентности легирования оксидных полупроводников.с'добавками органических ингибиторов коррозии, по .' э'Тйективноста действия приближаются к чотыреххлорпстому углероду.

Практическая ц е н н ос т ь. Дазш реко.тап-• децим по создания п выбору составов СОТС, спосойстпуодта повнше-ir.ro качества поверхности .обрабатываем!« деталей, производительности обработки я стойкости рсаущего инструмента. С целью замены в-нроиззодствонных процессах токсичного чотыроххлористого угле-.• рода и трнхлорэтилепа разработаны новые составы COS сепии "Прог-.ресс", ириготоамемыо на основе высекоконцентрировашшх растворов . солей с.добавками ингибиторов коррозии /Авт. свид. СССР .'5 ' • 1312123, 1549062/. Для. повшюшш обрабатываемости титановых

енланов, а т.акаа иоркавовд:пс статей с'большим содержанием нихе-. ля, о ил ■ньедложак состав ССК на основе дикатрневой соли сульфо-лнтарной кислоты /Апт. сипд.СССР № 12СЭ49Э/. Крог.:е того, создана СОК для холодной обработки кеталлоз на основе понерхносхно-актквг

кого всщзетва "БВ" /Авт.свяд.СССР й 1342917/. Предложен способ, эксирасс-оценки эффективности- СОК по мптоду регистрации фото-' з„л.с., а такда способ оценки химической активности С0^ путем зачистки мотаддов код раствором. .

Апробация работы. Основные результаты работы доложены: па Всесоюзной конференции "Теплофизика технологических процессов" в г.Таикенте в 1984г. ; на Ш областной конференции молодых ученых по актуальным общественно-политическим.и научно- . техническим проблемам, посвященной XX съезду ВЛКСМ, г.Иваново -1986г. ; на Ш областной конференции молодых ученых и специалистов по актуальным общественно-политическим и научно-техническим проблемам, г.Иваново 1988г. ; на ежегодных научных конференциях про-фессорско-преподават льского состава Ивановского государственного, университета /1984-1989г.г./ и Шуйского государственного педаго-гичзского института им.Д.А,Фурманова /1990г./. /Диссертация обсуж- . дена и одобрена: на заседаниях кафедры физики твердого тела Ивановского государственного университета в 1988г. ; на заседании кафедры "Металлорежущие станки.и инструменты" Горьковского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института /1990г./; на заседании кафедры "Общетехначескиз дисциплины и труд" Шуйского государственного педагогического института ис.Д.А.Фурманова 1990г.

Реализация работы.. Результаты работы внедрены: на п/я А-7302 с общим экономически эффектом 30 '¿ыс.руб. в год ; на Шуйском машиностроительном заводе. им.М.В.Фрунзе с экономическим эффектом 15 тыс.руб.'в год. Научно-методические разработки автора используются в, лекционных курсах -и лабораторных практикумах по специальности 2120 "Общетахнические дисциплины и труд" в Шуйском государственном педагогическом институте им Д.А.Фурманова. - .

Публикации. По томе диссертации опубликовано . 14 работ, в том-числе получено 4 авторских свидетельства и 2 решения патентной экспертизы о ввдачз.авторских свидетельств.

Структур? и об^.еч работ», Диссертация состоит из введения, пяти глчв, основных выводе по работе и рекомендаций по выбору и • . рглраоотко СОЖ. Она включает 141, страницу машинописного текста, 36 таблиц., 50 рисуга.ов, список использованной литературы /168 источников/, 3 прилсжзния на 205-218стр., акты внедро'шя и производственных испытаний, копии авторских свидетельств.

л ■

О

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы. Дана аннотация работы, приводятся научные полжегля, выносимые на защиту.

Глава 1. Обзор литературы. Цель и задачи работы.

. Сформулированы отправные положения рабочей гипотезы и нг.ке-чзны задачи исследования. Показаны различные взгляды ка механизм действия COS. При изучении процессов резания металлов мньння большинства специалистов сводятся к тому, что кроме диспергируы-щей, охла&цаэдей, моющей функций СОЯ большую роль игра от с--»з очная функция, которая реализуется за счет образования па контактных поверхностях химических планок. Вопросу образования и исследования окисных пленок посвящены работы И.Р.Крагальского, Б.II. Костецкого, В.Н.Латншева, Дя.Вильяыса, НДерхейма и других исследователей. • •

От структуры и фкз и к о-х имичс с них свойств окисных пленок зависят технологические показатели процесса резания. В состав растворов и вмпгьсий, представляющих широко распространенную группу водосмешиваемых. СОН, входит вода и растворенный в ней кислород, который всегда присутствует в той или иной мера в зоне резания ,•поэтому все химические реакции компонентов СОГ с контактными поверхностями происходят яри участии кислорода. Существуют два диаметрально противоположных представления о воздействии кислорода на процессы трения и резания металлов. Отмьтим, что такой подход не всегда дает ключ к пониманию прсиохоцчщгх в зоне контактов процессов. Более осторожного мнения прадер:«та-',г-, ся авторы работ, указнва/ацае на нолс:кителъкув роль кислорода "'-и оптимальном ого содержании в смазке. Однако, диапазоном максимального положительного эффекта кислорода разные авторы сч::та!зт ого содержание в СОК от тысячных долой процента до несколг-ких •пр0ц01гг0в. Это говорит о том, что кислород по огноезш1р ко bCGMy . шогсобрпзки применяемых в технике . чк-аллов водет сеоя разл-'-чнэ. Ото' касается как чисто хн? ичоски.4: параметров взаимодействия кислорода с металлом /хомосорбцпл при образовании оксидов/, так и иес'.чхаомотрин получаемого пли этом соединения. Неетохнометрия яиляптся термодикаг.кчоск:: обусловлен:!™ свойствам. '¡оотс.му един

-у i

и тот же тип окисла монет значительно различаться по механически.:,; свойствам благодаря дефектам нес.техиометхлш. Из литературных данных известно, что незначительные отклонения от стехиометрии приводят к резкому изменению физико-химических свойств окисла. ; Так, электропроводность-стехиометркческой TiC^ и нестехиометри-ческой Ti0 ^ gggg отличается более чем на 9 порядков, хотя по прочностным свойствам эти структуры различаются в гораздо меньшей степзни. ''

Скорость высокотемпературной деформации возрастает с увеличением концентрации вакансий кислорода, а энергия активации высокотемпературной деформации уменьшается от 280 кДж/моль /для ' стехиометричаского образца Ti-02/ до 138 кДх/моль /для нзстехио-метрического образца TiO^ gg, полученного■восстановлением в вакууме/. Нестохиокетрические окислы являются полупроводниками н, - . л::бо р-типа. Окислы с р-типом проводимости образуются с избытком по кислороду, а п -типа с недостатком. Нестехиометрию, а значит и "механические свойства-окисла,можно изменять в широких пределах -методом управляемой валетнооти легирования оксидных полупроводников, когда в основную решетку окисла вводятся донорная либо акцепторная примеси, роль, которых могут выполнять химически ак-, тивнне присадки к СОЖ; например, соли щелочноземельных металлов. Давно установлен факт влияния нестехиометрии на пластическую деформацию окислов, но характер участия дефектов нестехиометрии в процессах трения и резания остается до сих пор не выясненным...

Главные цели и задачи диссертационной работы определились следующим образом: >

1. Изучить стхслонения от стехиометрического состава оксидных планок, образующихся на металлических поверхностях при. резании в. ' среде COS, содержанок присадки с д о норн о -акца пт о рш;ми свойствами. ■■

2. Определить влияние шстехиокетричности оксидных смазочных пленок на характеристики процесса резания как чистых металлов . /молибдена, тантала, ниобия, никеля, титана/, так и ряда сталей

и сплавов /12X18HST, 47НД/. , '

3. Выработать рокоглевдадаи по.оптимизации окислительных сзойста CCZ и гадать ta этой основа серию новых смазочных мате-ст-.алоз.

Лля дос-иб'.онек поставленных целой была сфорг^лирована рабочая гипотеза, основные положения которой состоят в следующем:

1. Роль оккс.штельных реакций в процесса охлаждения и смазка лр:: рсзаягж метас-юв проявляется в *ор!.г«*"озпн;ш на контактных по-8

верхностях инструмента, детали и стружки окисных пленок с онре-Деленной не стехиометриай.

2. Рота, химически активных■присадок к ССЖ сводится к изменению этой нестехиометрии, а следовательно - и механических свойств поверхностного слоя за счет легирования анионной или катконной подрешеток окисла.

3. Оптимальная окислительная способность СОЕ мокет достигаться варьированием концентрацией растворзнках присадок, обладающих донорно-акцепторными свойствами.

Чтобы сделать выводы, касачщиеся взаимосвязи свойств окислов с одной стороны, и технологических параметров обработки - с другой, было проведено дво группы экспериментов:

1. Изучение получаемых на поверхности металла при резан;:;:, трении.и зачистке в модельных условиях окиенкх пленок.

2. Обнаружение корреляции мазду свойства/ли пассизационкых пленок и обрабатываемостью металлов ре.-ашем, когда соядаготся условия для образования пленок определенного типа и структуры за счет варьирования концентрацией растворенный солей, ПАЗ и ингибиторов коррозии.

Глава 2. Обоснование выбора материалов, методик, аппаратуры.

Дано обоснование и описание методик экспериментальных исследований, характеристика применяемых материалов и компонентов сказок, условия эксперимента.

В работе использованы современные методики и аппаратура исследования: оптическая к электронная микроскопия; измерение электродных потенциалов- под раствором, ояе-сяекгроскоппя, установка и метод измерения ностехиомотрии окислов путем определения тлга проводимости окисла по методу фотоэлектрической поляризации /1>?'Л/.

Для моделирования процесса образования окисных пленок с возможность« подачи ме:зду трущимися объектами тока поляризации была ".сшш.зонана уаяина тречия CI.il—2, срабконная специальным полл.:и-зущнм устройством. Статистическая обработка результатов экспериментов осуэдстилялась с помо'лью "3" ЛЗЧ-З тт гтрсггр>'ИГ--,-'0>-".,х микро-калысулятгров.

В качестве объекта исследования приняты труднообрабатываема чистые металлы "итан, молибден, тантал, ниобий, никель и некоторые

3

другие широко применяемые в промышленности металлы, различающиеся по ф-.i з и ко -;сж,»лчпским свойства".! я по способности образовывать.различные типы о:;си;г,ов. Приведены табличные характеристики тех окис-нкх соединений, появление которых возможно в процессе резания вышеуказанных материалов в окислительных средах.

Глава 3. Подтверждение исходной гипотезы в модельных условиях.

Здесь изложены результаты физико-химических исследований, а •гаклгз приведены модельные условия образования окионых, пленок в срсде экспериментальных и стандартных составов СОТС.

Для обобщения, которое касается взаимосвязи свойств окислов, с одной стороны, и технологических параметров обработки т с другой, были проведены модельные опыты по зачистке поверхности титана п молибдена под раствором солей разной концентрации. В целях изменения количества растворенного в воде кислорода осуществлялась продувка раствора кислородом и аргоном. Проведены эксперименты по трению яри управлении составом окисних пленок электро-химическзм путем за счет наложения извне олектроднбго потенциала.

В ходз экспериментов выяснилось, что эффективность COS зависит от эффективности пассивации металла, т.е. от скорости спада, электродного потенциала после обновления поверхности в растворе. При продувке кислородом скорость пассивации увеличивается, прп продувке аргоном - уменьшается.

Установлена корреляций параметра крутизны скорости спада потенциала с шероховатостью обработанной поверхности при резании. Существуют такие характерные концентрации /для титана - 2-4% и для молибдена 1055 и болен/, при которых устанавливается оптимальная шероховатость поверхности.

При наложении потенциала на трущиеся поверхности коэффициент трения изменяется особенно сильно в анодной области. Зто объясняется изменением стсхиомотричоского состава формируемых оксипов на поверхности с учетом влияния реакции анионов к ачсктролиза воды. Модельные опыты подтвердили гипотозу о влиянии ностахярметрии окислов нл коеффициент трений пари металлов. ,

Ю

Глава 4. Исследование морфологии оксидных пленок.

Данная глава посвящена исследовании физико-химических свойств окисных пленок, образующихся на контактных поверхностях при резании с применением эффективных и неэффективных СОЕ. Изучалась степень отклонения от стехиометрии методом ФЭП; структура и состав окисных пленок методом оке-спектроскопии и электронной микродиф-. ракцин ; топография обработанной поверхности методом растровой электронной микроскопии.

Для экспресс-оценки отклонения окисла от стехиометрия была спроектирована и изготовлена установка, позволяющая регистрировать относительное отклонение от стехиометрии. Принцип работы установки основан на явлении внутреннего фотоэффекта, протекаяше-' го в пределах окисного слоя. Зозникащач в результате разделения неравновесных носителей фото-э.д.с. измеряется с помотаю запоминающего осциллографа, подключенного чорез усилительное устройство к исследуемому образцу и вспомогательному электроду. Знак фотоответа позволяет установить характер нестехиометрии, тип проводимости /р или (г/, а также избыток или недостаток по кислороду. Амплитуда фотоответа / V фэп/ позволяет количественно оценить отклонение от стехиометрии.

Результаты предварительных экспериментов с помошью нового метода исследования полупроводниковых окислов позволили все исследуемые металлы разбить на три группы:

1/ металлы, образующие при резании без смазки на обработанной поверхности окисли с недостатком по кислороду /к. - т::п проводимости/, например ЗТ1-0 ;

2/ материалы, образующие окислы стехиометрического состава либо близких к стехиометрическому: 12Х18Н9Т, Р6М5, Т15К6 ; 3/ метадлы, образующие окислы с избытком по кислороду: молибден, николь, тантал, ниобий /р-тип проводимости/.

Экспериментальные данные, полученные методом ФЭП с обработанной резанием поверхности титана ВТ1-0 и стружки, показывает различные характеры окисления приресцовой стороны стружки и поверхности титановой детали, и икопт к,-тип проводимости во всем исследованием диапазоне концентраций, при этом окислы реализуются с большим недостатком по кислороду,/рис.1/.

При резании титана а среде эффективных СОН /з четыреххлорис-том углероде или олеиновой кислоте/ значения фотоответа стремятся

без смазки /1500мк8/

IV

■¿Г-

Г 1 ;

- 7,- ■

■Г'..-//.

- ч»-"

ч'аЛя.»

10% Аквол-6 /400мкЗ/

СС£4 /380 ;>:кВ/ 6СЙ р-р //а 3 в соне /2С0мкВ/

?ис.1. Амплитуда одиночного импульса фотоответа, полученного на црнрезцово? сторона стружки титана ВТ1-0 с применений" 002 /п.- тип проводимости/.

в сторону области р-типа проводимости. Это предположительно говорит о том, что четыреххлористый углерод насыпает окисел атомами углерода с меньшей валентностью, чем основная ракетка окисла при участии окислительных процессов.

Характер окисления при резании молибдена /рис.2/, тантала, ниобия, а также режущего инструмента BIO противоположен окислении титана. Данные материалы, в отличие от титана, имоэт р-тип проводимости, а во всем исследуемом диапазоне концентраций окисел реализуется с избытком по кислороду. С увеличением концентрата солей отклонение от стехиометрии возрастает з области р-проводи-мости и приблияается к значению ФЭП при резании с чотыреххлорис-тым углеродом. Диапазон концентраций по данным ФЭП блпзо:с к пределу насыщения, обеспечивая достижение эффективности по качеству обработанной поверхности эквивалентной четыреххлориотому углероду.

Vi-

.-в..

(3

50

1с

х 3D

к 20

(О.

г2

5 20

18 -

4 16

14

а . 12 .

20

г 8

6

1 Л

точение иеллйлона 'лзл — 3x504 рв*иш рвзаяия: V - 1.6м/с S - 0.С75 юл/ой, t . 0,5 к».

П

EL

643 С1.ГЗЗКИ 1(Й змулюия

Ахэола-6

".¡■М'реес-З"

rrn

тиЯ УГЛ110Ц VJCCTU.

Рис.2, Значение фоте «гота V фэп., снятой с обработанной нонорхности молибдена, и технологические параметры резания.

?Л

Аналогичные результаты получены и для других металлов: тантала, ниобия, никеля. Исследования контактных поверхностей режущего ин-стоумеята БК8 при обработке молибдена показывают образование на кем нестех'хметричэского окисла с небольшим избытком по кислороду. С увеличением концентрации неорганических солей в водной основе образуется окисел почти стехиометрического состава, при этом происходит интенсивный износ, режущего инструмента, с сохранением удовлетворительного качества обработанной поверхности детали. С увеличением содержания органического ингибитора коррозии до оптимального значения: например, триэтаноламика в насыщенном растворе АЬОе, значительно увеличивается стойкость режущего инструмента и обеспечивается минима/ьная шероховатость обработанной поверхности. Причиной этого является образование окисла нестехиометрического состав?, с избытком по кислороду.

V 1г6 я,.

■ в; (т

ю

€0

40

20

10

Тантал — bks

Г

Рожмгы роэеняя: V - 0,65м/с S - 0,06iv/oö. t Л 0,6 мм

2HL

п

loi »фльскя Прогрвсс-9 Ахвол-ЮМ

чотыреххлорпс-ты1 углерод

V

|//J Kg Imt) 11 11 7 (О- стойкость

Рис.3. Зяачзиие фотоотвзта V ?>:ш., снятой с юработанной поверхкссти тантала, и технологические параметры резания.

J4

з

1

При сверлении тантала обн^суг.ена ы:зкая стойкость сверл из Р6!«!5 как без смазки, так и с СОН "Аквол-1 ОМ", имепцей небольшой процент активных пгасадок. Здесь V Фэи. близка к 0. Проведенные исследования показали высокую чувствительность Фотоэлектрической поляризации к свойствам поверхностных пленок,и здесь установлена удовлетворительная корреляция с технологическими парал;етрами процесса розания /ряс.ЗД

Гипотеза образования на контактных поверхностях окислов переменного состава подтверждается ояе-спектроскоппей и электронно-микроскопическими исследованиями контактных поверхностей. Послойный оже-спактральный анализ показал, что при вариации окислительной способное' и наибольшие изменения в окисле претррпева'от пики кислорода с энергией 485 эв. и углерода - 260 эв.

На глубине нескольких атомных слоев, согласно показаниям о.т.е-споктров, химический состав исследованных образцов резко отличается как от состава поверхности, так и от состава основного металла. Кроме пиков кислорода и углерода, в окисле обнарукенн лепшуацпе атомы натрия, йода, которые значительно елпя'от на механические свойства и ностехиоыетрига окисла.

Электронно-шкроскопическла исследования, снятые с контактных поверхностей при росалии в среде ПОТС, показывают наличие оксидов, хлоридов и интерметаллических соединений. Дифракционные кястлны с таких поверхностей имеют как кольцевые, точечные, так и диффузнкз рефлоксы. Наличие на ялектроиограммах рефлексов с расщеплением д джЬфузных ореолов свидетельствует о том, что структура иоверхност.' существенно измельчена и имеет квазиаморфное строение. Расанорсч-ка точечнш электронограмм показала, что окислы являются монокристаллами нестехиометрического состава, а расцепление рефлексов свидетельствует о наличии в них малоугловых границ с незначитель-нойсазориентировксй отдельна монокристалличаегса: блоков

На базе проваленных исследований были разработаны смазочно-охлалдаплие жидкости серии "Прогресс", которые содержат в своем составе высокий процент растворенных сотюй, а тгеет ингибиторов аоррсзиц, что даот ао?.уоя5">сть сбеспсить требуемые технологические показатели.

Глава 5. Технологические испытания СОТС.

Испытания СОТС проводились как в лабораторных, так и в производственных условиях, где совершенствовалось их качество с учетом специфики требований производства. Были чроведоны, кроме . этого, исследования влияния СОТС на температуру, силы резания, угол сдвига, усадку стружки и коэффициент трения.

Все исследованные жидкости были разделены на 2 группы:

1. Органические жидкости ряда алкилгаяогенидов,. выбор которых, обусловлен показаниями ФЭП как эффективных COS с отклонениями от стехиометрии, близкими к четыреххлористому углероду. Экспериментами по резанию с применением таких жидкостей установлено, что по эффективности действия они не уступают четыреххлористому углероду, а йокпетый мстила;! превосходит его по качеству обработанной поверхности. Установлено, что эффективность таких жидкостей зависит от длины углеводородной цепи и количества атомов галогена.

2. Водные СОЕ с добавками неорганических солей при резании твердосплавным инструментом не обеспечивает существенного.снижения сил разания при обработке титана и находятся на уровне резания баз смазки. Однако, по качеству обработанной поверхности они значительно превосходят товарные СОТС: Аквол-6, Аквол-ЮМ, Аквол-11. Максимальный эффект по качеству обработанной поверхности и стой- ' кости инструмента обеспечивают вновь разработанные с участием автора COS серии "Прогресс" для обработки тугоплавких металлов. Перечисленные С02 снижают составля-ацие силы резания на ЗП-4СЙ по сравнен;!.1!) с резанием без COS. Водные растворы солой, кроме того, обладает хорошими охладдащпми свойства:.:!!. Температура в золя розалия при обработке титана быстрорежущим инструментом снижается с 580°С до 21П°С. R то время как друг;;е испытанные СОК показали худ-вие результаты. Значительное отклонение темпоратуры в зоне резания отмечается на тугоплавких металлах при применении водных 00а больше концентраций солей.

Сильное влияние па .стойкость инструмента оказывает концентрация растворенной соли, а т.'ш:о наличие в хидкости ингибиторов icop-розп::. При резании титанового сплава ВТ1-0 с увеличенном концон-тоацнн соли .-¡■'аОС размешши изноо увеличивается. - Отмечено пошио-!!',:;; стс\:коети инстсумента в 1,5 рала но сраииоиим с баяоноЦ СИ; /10;; эмульсией Лквол-Г>/ при узе .лчонии концентрации триэтаиола.'лша,

Ппи J озании молибдена в коорозионно активной ерздо . I aCf на-

блщается снижоние стойкости инструмента вследствие образования окисла, близкого к стехиометшческоглу составу. Такие окислы пооч-ны, но склонны к отслаивании от матицы материала, унося прп этом элементы твердого сплава, .что обусловлизаот окислительный износ. При резании в'среде водного раствора трпнатрийфоссЬата, язлякшего-ся ноооганическим ингибитором коррозии, отмечено увеличение стойкости резцов из-за образования на рабочих грааях рецущего инструмента окпеных пленок нестехиометшческого состава с р-типом проводимости, имегацпх более мягкую составляющую окисла. Экспериментами по точешпл молибдена, в водном раствора хлористого натрия и водном растворе тринатрийфосфата установлено, что на качество обоаботанной поверхности определяющее влияние оказнзают катисны натшш, а на стойкость инструмента - кислотные остатки данных солей.

Применение. СОЖ серии "Прогресс" обусловливает улучшение стружообразования, в основном, за счет их смазочных и охлачцаощкх свойств. Эффективные СОЯ стабилизируют деформационные процессы, о чем говорят осциллограммы сил резания, имеющие небольшую величину флуктуаций. Использование COST серии "Прогресс" при резании пластичных материалов позволяет так."с уменьаить или стабилизировать нарост, а поэтому повышается качество обработки. Эти COS за счот хоропих-смазочных свойств уменьшают усадку струям!, коэ^ришент трения и амплитуду колебаний угла сдвига.

При ро'занин хрупких"материалов, таких как молиодоц, новые COS изменяют характер разрушения от хрупкого ;; пластическому. охо подтверждают следы пластического течения ,на обработанной поверхности молибдена и переходструкки'скалывания а слизнул.

• Но .данным производственным и лабораторных исиыташЗ новые С02 превосходят товарные на всех изученных "операциях алло об работки. Стойкость резцов приближается к стойкости, полученной при • обработке с трпхлорэтклепом и а 20 раз превосходит 10* эмульсию Аквол-6. "Высота микрочоропностей Я, снизились с'2,0 мкм /трихлор-этилек/ ".о 1,6 мкм /"Прогрэсс-11"/ при чернокоЗ обработке молибдена. . •

При чистовом растачиг-iKsitt ¡сюбяя с применением COS "Прогросс-3" ропгд-.'м i»Kf> стойкость -4'п г раза г."г-::ьип,' чем нрк пвзяяя? в среде тпцхлоротилена; го и 15 ?аз лсоаосхоялт растзор Акаол-ЮМ. Вксотя' fUiKpoitepomjecratt находится на уровне тр:ялэрэт:.:лена /рд = 0,82 мкм/'.

Пои ю;!Чогой обработке тантала гвзцаиз LJIvG в с^еде трахлоэ-

/7

этилена и "Прогресс-11" стойкость резцов одинакова, шероховатость обработанной поверхности/!^ ■ 1,1 мкм для твигллпатилена/и 0,9 [.ж.; для "Црогресса-1.1".

Проведенные исследования позволяют утверздг.ть, что эФ">ектлв-ность ПО" пои обработки жаропрочных матерпялов зявиоут от гжкг/пи-тбльно-восг"г»нпви'гпль"Ш' ипо"ессов, которыми можно уппарля^ь путам изменения концентрации ингредиентов, выбранных по правилу улпаьляомой валентности легирования полупроводников.

Я. О к (!| и к в н в о п ы

1. Проведенный теоретический анализ и экспериментальные данные позволили установить определявшее значение кислорода, а тпкяга способность активных прксапок к сож, обладающих донорно-акпептор-ннми свойствами, образовывать в зоне резания п о лу пр ов о лник овы е . оксиды с определенной нестехиометрией. Такие окислы обладают градиентом прочностных свойств по толщине, экранируют адгезию обпа-бятывавмого и инотрумоктяльного материалов и, тем .самым, обеспечивают внешнее трение.

2. Исследования показали, что нестехиомптрические окислы с оптимальными свойствами в условиях трения и пезяния можно получать с иомотью подбора концйнтра'ши активны* присядок к СШ, используя при этом метод управляемой валентности легиплвания полупроводников.

3. При зячистий поверхностей молибдена и титанового сплава под раствором методом изменения электродного потенциала установ-■ лена прямая связь между показателем крутизны спада электродного потенциала и эффективностью растворов солей.. Для установления режима шероховатости на титане определена оптимальная концентрация раствора - 2-4%. В. то хе время -на молибдене, концентрация значительно вшсе: 10$ л более. 3 ходе исследований подтверздоно щютекакие электрохимических процессов, ослаблящих структуру поверхностного слоя, при зачистке под раствором. Степень влияния зликчч-охпмичоских процессов на технологические показатели определяется lu-j:ив;овальными свойствами металла и ионов соли.

4. Продувка кислородом и аргоном растворов cMeii существенно ачияя? на окикипельние свойства электролитов и технологическую о.1«^вК'.'Ийность такое СОН.

Я, Дкскераменгагж но траниы установлено, что наложение тока

поляризации приводит к' уменьшению коэффициента трения исследуемых материалов, особенно в анодной области, что является подт--вержденкем изменения стёхиометрического состава оксидов на поверхности трения за счет влияния реакции анионов и электролиза -воды.\

R. Разработана экспресс-методика определения эффективности СОТС, основанная на явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниковых окисных пленках, образующихся при резании. Амплитуда фо-тоогвета и знак фотоответа являются прямым подтверждением полупроводниковой природы окисных слоев нестехиометрического состава, которые несут наследственную информацию о протекающих в зона резания окислптсльных процессов. .

7. Методом фотоэлектрической поляризации /ФЭП/ установлено, что окислы с р-типом проводимости /с избытком но кислороду/ обладают лучшими антифрикционными свойствами по сравнению с окислами п -типа /с недостатком по кислороду/, о чем свидетельствуют данные, полученные при резании молибдена в среде чотыреххлорнс-того углерода. Металлы, способные реализовывать окислы с р-типом проводимости, более чувствительны к.внешней среде, так как химические реакции, томное зарядов и вещества протекаат легче на окислах богатых вакансиями.

S. Окислительными свойствами смазочно-охлатдащей жидкости модно управлять путем подбора концентрации неорганических солей . и органических пнгиторов коррозии, причем неорганическая часть присадки в'большей степени влияет на качество обработанной поверхности, а органическая часть - на износ и стойкость режущего инструменту./вероятнее всего - по радикалыю-цепногу мохаиизг/у/.

9. Экспериментами по резанию с модельными'составами СОН на основе растворов солей установлено, что окислящап способность СОЗ сильно зависит от контактных условий в зона рпзлния, в частности, от режимов об раб о Tsui. На чистовых операциях эффективность . СОН падает, на черновых операциях - возрастает. Это является прямым подтверждением завпсгалосги сбразо&гыгя благоприятного но-стехиометричоского окисла ч' то--:пьра.; ">ц я давления.

10. Элв1сгрснн>«икэосчг, -'"лекч.м ы чослойнав окз-спектроско-пичеекио асгледовзншг w'v. ;юг-зрх.;остей почало те, что на поверхности тренде окзпды, хдериды, ¡¿одидн к друга с соединения п0стез"пм"г.гтл'че^к01'0 состава, лимиованччв компонента-мя ССл.

11. Установлено, что эффективность четыреххлористого углерода, йодистого метилена и им подобных жидкостей определяется регулированием доступа кислорода к поверхности трения и формированием оптимальной нестехиометрии окислов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Смазка "Прогресс-2" лля механической обработки металлов. Авторское свидетельство СССР № 1269499 от 9.01.85 /соавторы: Косоткоз B.C., Годлевский В.А., Латшсз В.Н./.

2. Смазочно-охлагдавдая жидкость "Прогресс-4" для обработки металлов давлением. Авторское свидетельство СССР & 1342917 от 17.01.86 /соавторы: Коротков В.Б., Годлевский -В.А., Латышев Б.Н./,

3. О смазочном действии расплавов металлов /соавторы: Коротко ß В.Б., Годлевский В.А./. В кн.: Смазка,при трении'и резании металлов. - Иваново, 1986. - С.134-140. ; - !

4. Влияние технологических сред на силы резания при точении 'хитанових сплазов /соавторы: Кладчииков C.B./. В кн.¡-Тезисы док- . ла; ов областной конференции молодых ученых по общественно-полити-чееким и научно-тохначесккм проблемам, посвященной XX съезду .'• ВЛКСМ. - '.¡наново, 1986. - Ч.П. - 188с. - '

5. Смазочно-охлагдаэтдая жидкость ^"Прогресс-Ю" для механичес- -; кой обработки, металлов. Авторское свидетельство-СССР № 1512123 от . 8.10.87 /соавторы: Коротков В.Б., Латышев В.Н.,'.Още Е.К., Алексеев В.П., Лилия С.А., .Годлевский В.А./.\ ; .. • .; у

£. Исследование поверхностей титановых деталей, обработанных рззэниси с применением СОК, методом:оже-спектроскоики /соавтор: Короткой В.П./. В кн.: Тезисы докладов, !,'! областной-конференции -1.'олодих ученых и специалистов по актуальным общественно-политическим и научво-твхничэекш проблем:; -. Иваново, 1DJÖ. -Т.Ч. -г. 123. . ,

7. Птчот о разработке и внедрении оффпктивн;яс СОК для роза-', .чия труднообрабатываемых материалов /соавторы: Коротков И. Г,., Ппкатян Г'.А.. Девочкин A.A., Лп:шк"С.И., Ключников V.U., Тимохи- .. на 2.К./. дои. LW. рог. Л'01870187 000 -371Я1 от 1R.m.B7. - ; ' Иваново, 1988. - "2с. . ":

8. :.!ca'fiHH40ci:aii-обработка титана в среди, олокт! олптон /со- . -

автор: Алексеев В.Н./. В кн.: Теоретические и практические аспекты теории контактных взаимодействий при.резании металлов. -Чебоксары, 1988.

,9. Влияние смазочно-охлаядающих яицкостой на геометрия процесса резания /соавторы: Годлевский В.А., Девэчкин A.A./. //Физика трибологических систем: Межвузовский сб. науч. трудов. - Иваново, 1988. - С.104-109.

10. СОН для механической обработки металлов /соавторы: Ключников C.B., Латышев B.II., Коротков В.Б., Геращенко В.И., Вайнтра-уб Э.Ш./. Авторское свидетельство СССР 1549062 1990г.

11. Исследование поверхностных окисных пленок, образованных посла резания методом фото-э.д.с. /соавтор: Павлов Ю.В./. В кн.: Учебные материалы по итогам ХХХУ научной конференции преподавателей. - Щуя, 1989. - С.4-5.

12. К вопросу о роли окислительных процессов при шлифования титана и молибдена в средах электролитов /соавтор: Березина F-.B./. В кн.: Тезисы докладов 17 областной конференции молодых ученых и специалистов по актуальный общественно-политическим и научно-тох-ническим проблемам. - Иваново, 1990. - Т.П. - С.43.