автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Выбор инструментального материала с учетом особенностей атомного строения трущейся пары при резании металлов

На правах рукописи

УДК 621.922.001. 24:681.3 067(043.3)

УСОВА ВИКТОРИЯ ЛЕОНИДОВНА

1ЫБОР ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ АТОМНОГО СТРОЕНИЯ ТРУЩЕЙСЯ ПАРЫ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ

гениальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент 05,02.01 - Материаловедение в машиностроении

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1998

Работа выполнена в Московском Государственном Технологичесх Университете "Станкин".

Научный руководитель -Научный консультант

Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие -

доктор технических наук, профессор Моисеев В.Ф.

Заслуженный Деятель науки и техники Р доктор технических наук, профессор Старков В. К.

доктор технических наук, професс Верещака A.C.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ковалев А.И.

ОАО «Оргпримтвердосплав» (г.Москва)

Защита диссертации состоится " ••/Ь " ОС^ЛМгЛХ998 г., в ' заседании специализированного Совета К 063.42.1)5 при Московском Государственн Технологическом Университете "Станкин", по адресу: 101472, ГСП, Моек Вадковский пер., д. За.

оо

часов

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "Станкин".

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять указанному адресу.

Автореферат разослан "

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

Ю. П. Поляков

Общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Проблема повышения износостойкости особенно остро стоит при оценке работоспособности режущего инструмента, в том числе для лезвийной и абразивной обработки. Известно, что режущий инструмент работает в широком диапазоне температур и давлений, которые возникают в пластически деформированной зоне перед режущей кромкой и на поверхностях контакта по передней и задней граням инструмента. Сложное многообразие термодинамических условий резания в сочетании с различными обрабатываемыми инструментальными материалами, приводит к многообразию механизмов изнашивания и интенсивности износа режущего инструмента.

Так же нзвестно, что режущий инструмент является определяющим фактором процесса резания: его производительности, экономичности, надежности, качества обработки и др. Поэтому проблема износостойкости инструмента для условий резания всегда сохраняет свою актуальность, несмотря на большое количество новых инструментальных материалов и методов повышения их износостойкости, которые появились за последние годы.

Большое количество возможных технических решений по выбору режущего инструмента с заданными технологическими свойствами и прежде всего по величине периода стойкости, предопределяет актуальность задачи научно-обоснованного его выбора, чтобы оптимизировать взаимодействие «инструментальный материал -обрабатываемый материал» для конкретных условий обработки резанием.

При анализе условий трения рабочих поверхностей с обрабатываемым материалом при резании принимается допущение, что в контакт вступают ювенильные поверхности инструментального и обрабатываемого материалов.

Исходя из гииотезы о том, что наблюдается контакт химически чистых поверхностей при повышенных давлениях до 2000 МПа и более и температур до 1000° С и более, указанную ситуацию можно попытаться рассмотреть как результат взаимодействия двух трущихся тел на атомио-молекулярном уровне.

В работе сделана попытка установить корреляцию между свойствами инструментального и обрабатываемого материалов применительно к условиям резания на основе атомно-молекулярного механизма их взаимодействия.

Проблема назначения оптимального по своим свойствам инструментального материала, в том числе с защитными покрытиями, для условий резания остается до настоящего времени актуальной задачей.

Цель работы. Целью работы является разработка научных положений, необходимых для выбора инструментального материала с учетом особенностей атомного строения трущейся пары при резании металлов.

Методика исследования. Работа выполнена с использованием фундаментальных положений теории трения и износа(трибоники), теории резания металлов, с учетом современных представлений об атомном строении вещества.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующих разработанных положениях, использование которых целесообразно для назначения инструментального материала при резании металлов, при наличии ювенильного контакта трущихся тел. 1. Оптимальный износ при резании обеспечивается при определенном отношении энергий связи между атомами инструментального и обрабатываемого материалов, оно составляет 3-5 раз.

2. При обработке резанием в паре металл-вещество с ковалентной связью коэффицим трения ниже, чем при взаимодействии металлов и увеличивается пропорциокалы числу неспаренных электронов у металлических атомов, снижается с ростом средне атомной массы. Это подтверждается данными, полученными при обработке резание инструментом на основе алмаза, у которого коэффициент трения меньше, чем инструмента на металлической основе(быстрорежущие и инструментальные стали) и 1 металлокерамики (твердые сплавы).

3. В целях повышения износостойкости режущего инструмента основная ш упрочняющая фаза должна быть карбонитридной с максимальным числом электроно участвующих в создании полярной связи при наличии 1-1,5 свободных электроно обеспечивающих металлическую связь.

4. Эффективность легирования покрытий на режущий инструмент увеличивается ростом числа неспаренных электронов у легирующего компонента и различия атомной массе основного и легирующего металла.

5. Теплостойкость и скорость резания определяются увеличением стабильное! основной и упрочняющих фаз, увеличиваются пропорционально теплоте образован! фазы в ряду: карбиды - карбонитриды - нитриды-оксонитриды - оксиды.

Практическая ценность работы заключается в:

• рекомендации промышленности принципов создания ионно-вакуумного покрыл на режущий инструмент из быстрорежущей стали, обеспечивающего улучшен) износостойкости и режущих свойств;

• оптимизации структуры режущего материала от теплового режима резания; оптимизации режимов резания в зависимости от инструментального обрабатываемого материалов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались ] научно-технических конференциях: Международной научно-технической конференщ «Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства Минск, 1996 г., Российской научно-технической конференции «Промышленн экология и безопасность в современных технологических процессах», Москва, 1997 V Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения металлургии» Новокузнецк, 1997.

Публикации. По теме диссертации опубликованы пять печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основш выводов, списка литературы /78 наименований/. Она изложена на 133 страниц машинописного текста, содержит 42 рисунка, 21 таблицу.

Содержание работы.

В введении обосновывается актуальность работы, дается ее общая характеристш показана научная и практическая ценность.

В первой главе выполнен анализ состояния вопроса, приведен литературный обзор природе износа, трения и коэффициенте трения, влиянии условий трения на износ, да классификация видов износа при резании, основные характеристики износа режуще инструмента и соотношения между ними, показана связь износа со свойствами структурой трущихся материалов, а также указываются принципы выбо

инструментального материала при резании металлов, сформулированы цель и основные задачи исследования.

Отечественными и зарубежными, исследователями были установлены виды износа, возникающие в различных условиях трения и определены широкие области условий трения, в которых преобладает тот или иной вид износа. Определено, что причиной износа могут быть в разных условиях: пластическая деформация, (.механическое направление); адгезия и коррозия (химическое направление); диффузия (физическое направление).

Пластические деформации вызывают известные виды износа: смятие, абразивный износ - результат большой пластической деформации, усталостный износ -результат накопления малых пластических деформаций.

Коррозия лежит в основе окислительного износа, при растворении металлов в агрессивной среде и др.

Адгезия- вызывает адгезионный износ и схватывание 1 рода, когда действуют высокие удельные нагрузки при малой скорости скольжения ( наростообразование при резании).

Диффузия может вызывать диффузионный износ и схватывание 11 рода, возникающее при высоких температурах ( больших скоростях скольжения). Основными процессами при работе режущего инструмента в условиях, принятых в промышленности, являются адгезия и усталость (адгезионно- усталостный износ).

В связи с изложенными положениями в работе предполагается изучение влияния атомного строения на адгезионно - усталостный износ, возникающий при работе режущего инструмента в условиях оптимальных режимов резания из быстрорежущей стали и твердых сплавов, в том числе и с покрытиями.

Также были установлены связи износа с механическими свойствами (твердость, прочность, модуль упругости, запас пластичности), с физическими свойствами, (электросопротивление, коэрцитивная сила), с химическими (энергетическими) свойствами (химический потенциал). Это позволяет предположить, что природа высокой износостойкости едина с природой других свойств. Основой механических, физических и химических свойств является атомное строение вещества. Поэтому целесообразно установить влияние атомного строения вещества на износостойкость и коэффициент трения.

Во агорой главе проведено исследование связи коэффициента трения с атомным строением материалов трущейся пары, рассмотрен вопрос о специфичности условий трения при резании.

При перемещении режущего клина инструмента относительно обрабатываемого материала при резании имеет место сложный комплекс различных физико-химических явлений. При резании металла возникают границы упругой и пластической деформации. В результате пластической деформации стружка представляет собой сильнодеформированный материал, а под обработанной поверхностью детали формируется упрочненный слой материала с новыми свойствами. Пластическая деформация при резании является процессом необходимым для стружкообразования. Режущий клин взаимодействует с обрабатываемым материалом по передней и задней поверхностям. В этих зонах происходит интенсивное трение инструментального и обрабатываемого материалов. При этом зарождаются тепловые потоки. При контакте режущего клина с обработанной деталью возникает градиент напряжений и температур, который инициирует при контакте протекание диффузии, адгезии, электрических и магнитных явлений, которые в большей степени оказывают влияние на работоспособность режущего инструмента(интенсивность изнашивания, появление

очагов разрушения) и в меньшей степени на эксплуатационные свойства обработайте; детали (изменение химического состава поверхностного слоя).

В процессе резания происходит периодическое схватывание , срезание ; удаление частиц контактирующих тел. Эти явления зависят от характера контакт режущего инструмента с обрабатываемым материалом, включая скорость перемещена« площадь контактной зоны, повышают вероятность возникновения адгезионных связе{ Явление адгезии ослабляется , если контактирующие поверхности покрыты защитным! окисными пленками или износостойкими покрытиями. Пластическая деформацш разрушение, контактные явления неразрывно связаны между собой, и зависят от марк инструментального и обрабатываемого материалов, геометрии режущего инструмент: параметров режимов резания, охлаждения и др. Условия резания определяют объем : интенсивность деформации, характер разрушения, которые оказывают доминирующе влияние на развитие контактных явлений.

Количество тепла, износ инструмента зависят от коэффициента трения, которы; в процессе резания отличается от коэффициента трения скольжения. Коэффициен трения сходящей стружки о переднюю грань резца об обработанную поверхност зависит от режимов резания, состояния режущих граней, геометрии режущег инструмента, качества обработанной поверхности и качества СОЖ. Основной износ предопределяющий стойкость режущего инструмента, происходит или по передней или по задней грани в зависимости от условий работы. При точении стали токарньп резцом без охлаждения износ происходит по передней грани, а при точении чугуна - п задней. Износ по задней грани наблюдается также при работе сверл и фрез.

Характер износа режущих кромок инструмента связан во-первых, с процессо! образования нароста и во-вторых, с трением и возникновением тепла на тех или ины участках режущей кромки. Образование нароста в различных зонах скоростей создае условия для износа передней грани. За наростом, в месте , где расположен цент давления стружки на переднюю грань, появляется лунка. В процессе резания лункг расширяясь, приближается к режущей кромке, уменьшает величину нароста, и тогд износ начинает захватывать и заднюю грань.

Таким образом работа трения в процессах резания является важнейше составляющей, которая не только определяет условия взаимодействия режущег инструмента с обрабатываемой деталью, но и определяет в значительной степей энергетические затраты на съем материала.

Процессы трения в значительной мере характеризуются коэффициентом трениз Таким образом работа трения в процессах резания является важнейшей составляюще£ которая не только определяет условия взаимодействия режущего инструмента обрабатываемой деталью, но и определяет в значительной степени энергетически затраты на съем материала.

Проведенный анализ известных данных о коэффициенте трения в связи атомным строением металлов позволил установить ряд неизвестных ране теоретических положений. При трении чистых металлов ( трении сферической ножк по полированной пластинке) коэффициент трения увеличивается пропорциональн числу неспаренных электронов у атомов трущихся металлов í рис.1).

На рис.1, приведены коэффициенты трения железа в паре с медью, цинком железом, имеющим близкую атомную массу ( 56-65), но отличающиеся число! неспаренных электронов: Си-1, ?.п-2, Ре-4.

0,6

0,5

0,4

•, , ' ■ ■■

- • 1 1 1 Я

1

< :и / ^ 1 ЗГ » ) 1 1

( » 1 1 1

"12 3 4

Число несгтаренныхэлектронов

Рис.1. Зависимость коэффициента трения железа (тела) от числа неспаренных электронов у металла (контртело) в парс трения.

На рис.2, приведена зависимость коэффициента трения о г средней атомной массы трущейся пары. Такой выбор объектов исследования исключает влияние поляризации атомов, которая возникает при взаимодействии различных металлов, имеющих разное число неспаренных электронов и атомную массу.

При трении металлов и веществ с ковалситнон связью (алмаз) сохраняется установленная зависимость коэффициента тренпя от числа неспаренных электронов у металлического тела. При зрении металлов по алмазу естественному и искусственному (АСБ) коэффициент трения увеличивается пропорционально числу неспаренных электронов у металла. Следует отметить низкий коэффициент трения по алмазу, материалу с ковалентной связью.

В паре трения из двух металлов(рис.З) коэффициент трения можно оценить по электронной концентрации атомов, участвующих в трении. Например, в паре алюминий-железо, атом алюминия дает в металлическую связь три неспаренных электрона, а железо - четыре. Следовательно, среднее число электронов, приходящихся на атом составляет (3+4)/2 =3,5 электрона.

Проведенные исследования подтверждают, что коэффициент трения увеличивается пропорционально средней атомной массе и с ростом электронной концентрации в трущейся паре.

Этот вывод относится к трению металлов, когда между атомами металла тела и контртела действует металлическая связь.

В случае трения, когда взаимодействуют атомы металлические и с ковалентной связью, возникает заметная полярная связь и коэффициент трения снижается с ростом средней атомной массы.

Коэффициент трения химических соединений определяется уровнен; полярной связи, которая обусловлена энергией атомизации.

Г А

к

1 1 1

» * 1 ' 1 t

1 1 4

-------I_____.......

\ \

О" ! 1

1 1 1 Ь^^ 1 ' 1 _______1_______J_______I_______

' 1 I | 1 1 ■ 1 1

и 50 100 150 200 250

Атомная масса

Рис.2. Зависимость коэффициента трения от средней атомной массы трущейся пар! Цифры у кривых- электронная концентрация.

Достоинством проведенных исследований является взаимосвязанное изучен* процесса резания с одной стороны как процесса пластической деформации и трет (лезвийные методы обработки), и как процесса превалирующего трения (процесс абразивной обработки). В этой связи закономерности процесса трет обрабатываемого и инструментального материалов, раскрывают особенности его I основе особенностей атомного строения трущейся пары.

В третьей главе проведено исследование износостойкости инструмента при резани металлов в связи с атомным строением инструментального и обрабатываемо! материалов.

В известных работах по исследованию износостойкости инструментов I твердых сплавов и быстрорежущих сталей с покрытиями на основе разных химически соединений не устанавливается связь между износом и атомным строением веществ на основе которого построено покрытие. Вместе с тем, полученные в этих работе данные являются систематическими и могут быть проанализированы с учето атомного строения соответствующих химических соединений.

Приведенные в работе данные по интенсивности износа инструмента с разным покрытиями показывают, что среди карбидных покрытий меньшую интенсивное; износа обеспечивают покрытия на основе карбидов переходных металлов V групп системы Д.И. Менделеева (VС и МЬС), а среди нитридных покрытий-нитрид переходных металлов IV группы(рис.4 и 5). Можно ожидать, что химические

Электронная концентрация Э+р+й электронов

Рис.3. Изменение коэффициента трения для чистых металлов в вакууме от электронной концентрации .

соединения с максимальной энергией связи между атомами (максимальной твердостью и теплотой атомизации) должны обеспечить и максимальную износостойкость.

К таким соединениям, среди исследованных, относятся карбиды, образованные металлами IV групп системы Д.И. Менделеева (НС. 2гС, НГС). Однако, последние уступают в износостойкости карбидам металлов V группы.

Эго позволяет предположить, что наряду с высокой энергией связи между атомами существенное влияние на износостойкость оказывает и другой фактор, а именно, запас пластичности.

Несомненно, что повышение запаса пластичности режущего материала приводит к росту работы, затрачиваемой на пластическую деформацию, необходимую для зарождения и роста трещины до критического размера. Эта работа значительно больше той, которая требуется для хрупкого разрушения. У карбида титана нет свободных электронов, осуществляющих металлическую связь, т.к. все 4 Б+с! электрона на уровне Ферми у титана задействованы в создании полярной связи с 4-мя неспаренными Я+р электронами атомов углерода.

У карбидов металлов V группы, в отличие от карбидов IV группы имеются свободные электроны, которые осуществляют металлическую связь и повышают запас пластичности химического соединения. Действительно, 4 Э+р электрона углерода связывают 4 из 5 в+с! электрона металла (ванадия, ниобия и тантала) для создания полярной связи, в этом случае 1 электрон у каждого металлического атома остается свободным и осуществляет металлическую связь.

Проведенный анализ позволяют сформулировать важнейшее положение физико-химической теории износа:

высокая износостойкость химического соединения обеспечивается получением высокой энергии связи между атомами путем участия в создании полярной связи максимального числа неспаренных электронов; наличием свободных электронов.

участвующих в обеспечении металлической связи и повышенного запа пластичности.

Более низкая интенсивность износа (более высокая износостойкость) карбидных покрытий (0,25 у ЫЬС), чем у нитридных (0,31 у ТШ и 2гМ) обусловле меньшей энергией связи между атомами за счет полярной связи у нитрид осуществляемой тремя электронами, вместо четырех, что обеспечивает и более низвг твердость нитридов.

Возникает вопрос о причинах более низкой износостойкости карбидов нитридов, образованных металлами VI группы( рис.4 и 5), когда у металла имеете; неспаренных Б+с! электронов и остается свободных электронов 2 у карбидов и 3 нитридов.

Большее число свободных электронов, чем 1, вызывает появление налравленн (ковалентных) связей, особенно сильно снижающих запас пластичности. Поэто сформулированное нами научное положение должно быть дополнено пунктом о т< что число свободных электронов, осуществляющих металлическую связь химическом соединении, должно составлять 1-1,5 электрона на металлическ атом(рис.6).

Несомненно, что появление не участвующих в полярной связи электронов неметаллического компонента (когда число неспаренных электронов неметаллических атомов больше, чем у металлических) должно усиливать ковалентн; связь и снижать запас пластичности химического соединения.

Увеличение атомной массы металлического компонента в химическ соединении повышает износостойкость нитридных покрытий(рис.7).

Влияние легирующих компонентов на износостойкость инструмента покрытием из нитридов и карбонитридов титана изучалось в ранее опубликованн работах. Однако, не устанавливалась связь износостойкости с атомным строени компонентов, образующих покрытие

Проведенный анализ позволяет сформулировать положение о рациональн атомном строении легирующего компонента: износостойкость сплава - химическ соединение увеличивается с ростом числа неспаренных электронов у компоиеи легирующего соедииение(рис.8).

Влияние атомной массы проявляется при сравнении износостойкости покрыт на основе нитридов и карбонитридов, легированных хромом и молибденом . Атош масса хрома (52) почти в 2 раза меньше, чем у молибдена (96). Это вызывает рс износостойкости при увеличении атомной массы металлических атомов в химическ соединении.

Этот вывод относится к легирующим компонентам с атомной массой до 70-' т.к. известно, что в этих пределах с ростом атомной массы увеличивается энергия св; между нуклонами в ядре и в связи с этим должно нарастать воздейетт энергетического поля ядра на электронную систему. При большей атомной ма< энергия связи между нуклонами снижается, в связи с чем должно уменьшат! воздействие энергетического поля на электронную систему и на энергию связи ме» атомами. Данные о влиянии легирующих элементов с атомной массой более 90 режущие свойства покрытий отсутствуют.

При сравнении стойкости инструментов с покрытиями, легированными 81 и Z^ одинаковым числом неспаренных электронов-4) следует, что кремний, силы отличающийся от титана по энергии связи между нуклонами в ядре, чем циркош более значительно увеличивает износостойкость.

в зависимости от числа Э+чЗ электронов у атомов металла, образующего карбид. Цифра у кривых-М периода, в котором находится металл.

э+с! электроне

Рис 5 Интенсивность ишоса инструмента с покрытиями на основе нитридов з зависимости от числа электронов у атомов металла, образующего карбид. Цифра у кривых^ периода, в котором находится металл. Обрабатываемый материал-сталь 45 после отжига, инструмент из стали Р6М5 Построено поданным Сальникова А.С.

е

а

& 3

В

и

/ (ТиСг)Н ^^ (ТиСтХтг,

........

/ / / /

/ / 4.__________

ТЖ

О

4,0

5,5

4,5 5,0

Число 5+<1 электронов

Рис.6 Изменение стойкости инструмента с покрытием при обработке стали 45(НВ220) инструментом из азотированной стали Р6М5 в зависимости от среднего числа Б+с! электронов у металлических атомов, образующих наносимое на инструмент покрытие— заряд ядра 29-34,—заряд ядра 22-23.Построено по данным Г.С.Фукс-Рабинович.

5,0

4,0

В

о

X :Х О Н

и

3,0

2,0

1,0

к

1

♦ 1 1 1 1 (2г<Н

1 1 1 1

1 ( 1

! (гг г1 1 У

» » > ггЫ

1 1 \

0 20 зо _ 40 50

Заряд ядра

Рнс.7 Изменение стойкости инструмента с покрытием при обработке стали 45(НВ220) инструментом из стали Р6М5 в зависимости от заряда ядра металла,образующего покрытие. Построение по данным Г.С.Фукс-Рабинович.

Число Э+р и 5+с1 электронов

Рис.8 Коэффициент стойкости режущего инструмента с покрытием ; зависимости от числа З+р или 8+(1 электронов у атомов металла, легирующего нитрн, титана. Построено по данным'Табакова В.П. Цифры у кривых М-периода, в которо> находится легирующий компонент.

Известно, что карбонитридные покрытия обладают более высоко! износостойкостью, чем карбидные или нитридные. Установлено и оптимальна отношение атомов углерода и азота в карбонитриде (1:2). В литературе этот факт » нашел удовлетворительного объяснения. По нашему мнению увеличение содержали: азота в карбонитриде вызывает уменьшение износостойкости из-за снижения энергш полярной связи. Энергия полярной связи увеличивается с ростом числа неспаренны: электронов, осуществляющих эту связь. У карбида титана таких электронов-4, ; нитрида титана-3(по числу неспаренных электронов у неметаллического компонента).

Увеличение содержания углерода в карбонитриде вызывает снижен» износостойкости из-за уменьшения запаса пластичности у химического соединения Число свободных электронов, осуществляющих металлическую связь в химическое соединении и повышающих его пластичность, минимально в карбиде титана. На * неспаренных электрона у углерода приходится 4 неспаренных электрона гитана свободных электронов в соединении нет.

У нитрида титана металлическую связь осуществляет 1 свободный электрон т.к. азот имеет 3 неспаренных электрона, а титан-4.

В четвертой главе описано повышение эффективности процесса резания на основ! разработанных теоретических предпосылок. Проведен анализ по оптимизации процесс: резания с выбором инструментального материала.

Инструмент в резании всегда являлся фактором, определяющим как технологические так и экономические возможности формообразования детали. Возможность назначения инструмента, оптимального для конкретных условий резания - это важный критерий качества процедуры оптимизации. Однако в известных программах выбор оптимальных условий резания (как правило, только параметров режима обработки) производится при заранее определенном варианте инструмента (тип, его геометрия, марка материала и т.д.).

В разработанной методологии комплексной оптимизации процесса резания применительно к точению одновременно анализируются: параметры режима резания (скорость, подача, глубина), марка инструментального материала, состав износостойкого покрытия (при необходимости), его толщина и основные параметры геометрии резца. Инструмент аттестуется как набор его физических (прочность, твердость) и геометрических (размеры, геометрия режущего клина) параметров, которые взаимодействуют с группой своих физических и геометрических параметров обрабатываемой детали. Интенсивность износа инструмента определяется физико-химическим характером взаимодействия с обрабатываемым материалом, в зависимости от величины действующих в контакте напряжений и температур, а величина износа регламентируется необходимой глубиной сохранения оптимизируемых физико-механических свойств в поверхностном слое инструментального материала.

Методология комплексной оптимизации резания основана на энергетическом подходе к процессу. Затраты энергии на резание материалов в 8...10 раз и боле« превосходят работу, необходимую для формирования новой поверхности детали путем удаления стружки. Эта работа идет на пластическую деформацию обрабатываемой: материала и его трение о рабочие поверхности инструмента.

При разработке основы иоино-вакуумных покрытий на режущий инструмент и: твердых сплавов и быстрорежущей стали рекомендуются карбонитриды титана легированные металлами 1У-У1 трупп системы Д.И. Менделеева. При нанесент покрытий и углерод (из газа С2Н2) и азот легко вводятся в состав покрытия.

Рекомендуемая химико-термическая обработка инструментов из быстрорежуще! стали для упрочнения поверхности предполагает в качестве упрочняющей фазы карбонитридную фазу. Это подтверждено при сравнительном исследованш упрочняющих фаз, образованных неметаллами 2 периода: В-С-Ы-О.

Кажущееся, на первый взгляд, совладение рекомендаций разных работ в разны: сплавах, не является случайным. В литературе этот факт не отмечался и не получи, объяснения. Несомненно, что единый вывод о пользе карбонитридов инструментальных режущих материалах имеет глубокую основу. Причину нужн1 искать во взаимодействии неметаллических компонентов с металлами, образующим; фазы.

Для этого были рассмотрены важнейшие свойства режущих материалов в связ с природой образования фаз. Такими свойствами являются: износостойкост! теплостойкость и прочность(пластичность). В качестве неметаллических нужн выбрать элементы 2 периода: В;С;1<1;0 и Б. Сопротивление изнашиванш (износостойкость) определяется, в первую очередь, твердостью и адгезией. Как был установлено в литературном обзоре, изнашивание - процесс, зависящий с сопротивления пластической деформации и от химического взаимодействия.

Твердость химического соединения определяется числом электроно) участвующих во взаимодействии неметаллического и металлического атомо Твердость химического соединения увеличивается пропорционально чис.г

неспаренных электронов у неметаллического атома. Поэтому наиболее высокую износостойкость должны обеспечивать карбидные фазы, . т.к. углерод имеет А неспаренных электрона. Меньшую твердость получают бориды и нитриды, т.к. бор и азот имеют 3 неспаренных электрона. Еще ниже твердость оксидов и особенно > фторидов, отдающих в связь соответственно 2 и 1 электрон.

Теплостойкость характеризуется стабильностью фаз при нагреве. Как показали исследования стабильности различных фаз, стабильность фазы определяется теплотой ее образования; чем выше теплота образования фазы, тем стабильнее фаза при нагреве.

При рассмотрении теплот образования разных фаз было выяснено, что наиболее высокую теплоту образования имеют фториды, меньше оксиды, еще ниже теплотг образования боридов и нитридов и самая низкая - у карбидов.

Можно сделать вывод, что чем более электроотрицателен неметалл образующий фазу( усиливающий поляризацию атомов), тем больше теплота образования фазы и выше ее стабильность при нагреве.

Стабильность фазы возрастает при снижении ее твердости (износостойкости), Стабильность основы сплава и упрочняющих фаз увеличивается с ростом поляризации атомов в фазе, т.е. при усилении окислительной способности неметаллическогс компонента, образующего данную фазу.

Влияние энергии связи между атомами или твердости у инструментальногс материала на скорость резания можно установить по данным рис.9. Зависимость скорости резания от поверхностной энергии обрабатываемого и инструментальногс материалов приведена на рис.10.

V

А

«

к я

л

о о, о и и

800

600

400

200

/о Твердой сплав 1

Быстрорежущая сталь

юоо

3000

5000

7000

9000

НУ

Твердость по Виккерсу.ГПа

Рис.9 Зависимость скорости резания от твердости инструментального материала. Обрабатываемый материал-сталь конструкционная, НЯС35-40.

V А

.3 103

8

£

х

г)

10

о

>

500

1000

1500

2000

2500

Поверхностная энергия обрабатываемого материала,МДж/м2

Рис.10 Зависимость рекомендуемой скорости резания от поверхностной энерги обрабатываемого материала. Инструмент из быстрорежущей стали.

В диссертационной работе в результате выполненных исследовани осуществлено решение технологической задачи трения и износа при резании металле с учетом атомного строения трущихся пар. На основе проведенных исследовани сформулированы следующие выводы:

1. Оптимальный износ при резании обеспечивается при определенном отношени энергий связи между атомами инструментального и обрабатываемого материалов, ок составляет 3-5 раз.

2. При обработке резанием в паре металл-вещество с ковалентной связью коэффициег трения ниже, чем при взаимодействии металлов и увеличивается пропорционалы: числу неспаренных электронов у металлических атомов, снижается с ростом средне атомной массы. Это подтверждается данными, полученными при обработке резание инструментом на основе алмаза, у которого коэффициент трения меньше, чем инструмента на металлической основе(быстрорежущие и инструментальные стали) и I металлокерамики (твердые сплавы).

3. В целях повышения износостойкости режущего инструмента основная ил упрочняющая фаза должна быть карбонитридной с максимальным числом электроно: участвующих в создании полярной связи при наличии 1-1,5 свободных электроно обеспечивающих металлическую связь.

4. Эффективность легирования покрытий на режущий инструмент увеличивается ростом числа неспаренных электронов у легирующего компонента и различия атомной массе основного и легирующего металла.

Общие выводы.

5. Теплостойкость и скорость резания определяются увеличением стабильност основной и упрочняющих фаз, увеличиваются пропорционально теплоте образовани фазы в ряду: карбиды - карбонитриды - нитриды-оксонитриды - оксиды.

6. Скорость резания, как наиболее значительный фактор процесса обработки, може быть увеличена пропорционально энергии связи между атомами инструментальног материала и уменьшена обратно пропорционально энергии связи между атомам обрабатываемого материала.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Старков В. К., Усова В. Л., Чепурко A.C.

"Оптимизация процесса резания с выбором инструментального материала". Тезис докладов Международной научно-технической конференции. « Моделировани интеллектуальных процессов проектирования и производства», Минск, 1996 г.

2. Моисеев В.Ф., Зимин A.B., Усова В.Л., Разин К.Н.

«Разработка атомно-энергетической концепции создания конструкционны материалов», Тезисы докладов Российской научно-технической конференци «Промышленная экология и безопасность в современных технологических процессах: Москва,1997 г.

3. Салманов Н.С., УсоваВ.Л.

«О самоорганизации структуры и свойств на контактных поверхностя металообрабатывающего инструмента при эксплуатации», Тезисы докладов Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения металлургии, Новокузнецк, 1997.

4. Салманов Н.С., Усова В.Л.

«О самоорганизации структуры и свойств на контактных поверхностя металообрабатывающего инструмента при эксплуатации», Известия Вузов, Черш металлургия, Москва, МИСИС.1997 г.

5.Моисеев В.Ф., Маматкулов Д.Д., Зимин A.B., Разин К.Н., Усова В.Л. «О влияни атомной массы на функциональные и технологические свойства вещества» .Журнг «Материаловедение». Москва, 1998 г. №8

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат ческих наук

Усова В.Л.

Выбор инструментального материала с учетом особенностей ат юения трущейся пары при резании металлов

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80 гр/м2

Объем 1.06 уч. - изд. л. Тираж 100 экз. Заказ №761

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковкий пер.,

ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.

На правах рукописи

УКД 621.922.001.24:681.3.067(043.3)

УСОВА ВИКТОРИЯ ЛЕОНИДОВНА

ВЫБОР ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ АТОМНОГО СТРОЕНИЯ ТРУЩЕЙСЯ ПАРЫ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ

Специальность 05.03.01-Процессы механической и физико-

технической обработки,станки и инструмент

05.02.01-Материаловедение в машиностроении

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Моисеев В.Ф.

Научный консультант: Заслуженный Деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор В.К. Старков

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7

1Л. О природе износа, трения и коэффициенте 7 трения;

1.2. Влияние условий трения на износ; 19

1.3 . Классификация видов износа при резании; 21

1.4. Основные характеристики износа режущего инструмента и соотношения между ними; 31

1.5.Связь износа со свойствами и структурой трущихся материалов; 32

1.6.Выбор инструментального материала при резании металлов; 39

1.7.Атомное строение вещества; 45

1.8. Выводы; 52

1.9. Цель и задачи исследования 56

2.СВЯЗЬ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ С АТОМНЫМ 58 СТРОЕНИЕМ МАТЕРИАЛОВ ТРУЩЕЙСЯ ПАРЫ.

2.1. Специфичность условий трения при резании металлов; 58

2.2. Зависимость коэффициента трения от атомного строения вещества; 63 2.3 .Выводы. 80

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ В СВЯЗИ С АТОМНЫМ СТРОЕНИЕМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО

И ОБРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛОВ 81

3.1 .Исследование возможностей улучшения износостойкости покрытий путем использования знаний об их атомном строении; 81

3.2.Исследование влияния атомного строения легирующих компонентов износостойких покрытий на интенсивность изнашивания режущего инструмента; 86

3.3.Исследование влияния атомного строения твердых сплавов на интенсивность их износа при резании; 96

3.4.Выводы. 101

4.ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА 102 РЕЗАНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПОСЫЛОК.

4.1. Оптимизация процесса резания с выбором инструментального материала; 102

4.2.0 выборе оптимальной структуры материала режущего инструмента; 114

4.3.Выводы. 123

5.0БЩИЕ ВЫВОДЫ 125

6.Список литературы 127

ВВЕДЕНИЕ.

Проблема повышения износостойкости особенно остро стоит при оценке работоспособности режущего инструмента, в том числе для лезвийной и абразивной обработки. Известно, что режущий инструмент работает в широком диапазоне температур и давлений, которые возникают в пластически деформированной зоне перед режущей кромкой и на поверхностях контакта по передней и задней граням инструмента. Сложное многообразие термодинамических условий резания в сочетании с различными обрабатываемыми, инструментальными материалами, приводит к многообразию механизмов изнашивания и интенсивности износа режущего инструмента.

Так же известно, что режущий инструмент является определяющим фактором процесса резания: его производительности, экономичности, надежности, качества обработки и др. Поэтому проблема износостойкости инструмента для условий резания всегда сохраняет свою актуальность, несмотря на большое количество новых инструментальных материалов и методов повышения их износостойкости, которые появились за последние годы.

Большое количество возможных технических решений по выбору режущего инструмента с заданными технологическими свойствами и прежде всего по величине периода стойкости, предопределяет актуальность задачи научно-обоснованного его выбора, чтобы оптимизировать взаимодействие «инструментальный материал - обрабатываемый материал» для конкретных условий обработки резанием.

При анализе условий трения рабочих поверхностей с

обрабатываемым материалом при резании принимается допущение, что в контакт вступают ювенильные поверхности инструментального и обрабатываемого материалов.

Исходя из гипотезы о том, что наблюдается контакт химически чистых поверхностей при повышенных давлениях до 2000 МПа и более и температур до 1000° С и более, указанную ситуацию можно попытаться рассмотреть как результат взаимодействия двух трущихся тел на атомно-молекулярном уровне.

Влияние внешних факторов (давления, температуры, скорости скольжения и др.) на износостойкость изучено достаточно подробно, что позволило инженерам предложить ряд расчетных формул. Однако, до настоящего времени остается слабым местом прогнозирование износостойкости с учетом материала трущейся пары. Это обусловлено тем, что нет достаточных знаний о закономерностях поведения разных материалов при трении. Прогнозирование пытаются проводить только на основе знаний о кристаллическом строении вещества и дефектности кристаллов без учета влияния атомного строения.

Трение и износ различных деталей машин, приборов и инструментов изучали и продолжают изучать во всем мире очень широко.

В настоящее время установлены основные закономерности трения и изнашивания различных изделий и материалов в различных условиях. Разработаны теории трения и износа, установлены механизмы изнашивания. Однако, до сих пор, нет надежных расчетных формул для определения интенсивности изнашивания в заданных условиях трения. Это обусловлено тем, что процессы

трения и износа - сложны, когда одновременно могут иметь место два и более механизмов изнашивания.

В соответствии с современными представлениями о процессе трения и износа нужно учитывать как механику деформации и разрушения, так и химическое взаимодействие трущихся материалов и взаимодействие их с окружающей средой.

В настоящее время слабо разработано направление, учитывающее химическое взаимодействие трущихся материалов в связи с их атомным строением или с энергией связи между атомами.

Слабое развитие физико-химической теории трения и износа не позволяет надежно прогнозировать интенсивность изнашивания и долговечность изделия.

В работе сделана попытка установить корреляцию между свойствами инструментального и обрабатываемого материалов применительно к условиям резания с учетом атомно-молекулярного механизма их взаимодействия.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Под износом понимают - изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения поверхностного слоя изделий при трении. Такая формулировка не отражает понимания износа, как пластической деформации; например при абразивном износе или смятии. Поэтому должна быть дополнена после слова «разрушения» словами «или пластической деформации» Износ зависит от условий трения и свойств материала изделия [ 25 ]. 1.1. О природе износа, трения и коэффициенте трения.

Длительное время одним из основных предметов научных исследований было изучение износа под воздействием твердых частиц. Этому виду износа были посвящены работы Замоторина М.И., Кащеева В.Н., Клейс И., Кузнецова В. Д., Лоренца В.Ф., Львова П.Н. и др.[9-12,3]. Серия глубоких исследований по изучению износа в условиях сухого трения и трения со смазкой была выполнена альдерманстонской школой исследователей: Hirst и Lancaster, Archard и Hirst [ 19,22].

С.П.Козырев [ 13 ] исследовал закономерности кавитационнот абразивного износа. Было отмечено, что развитие процесса во времени протекает не линейно, т.е. имеется определенный «инкубационный период», предшествующий процессу износа. Частицы износа отделяются в результате многократного деформирования. Сами частицы имеют следы деформаций в виде наслоений, вмятин и т.п.

Одна из первых концепций, описывающих процесс износа, сформулирована H.H. Давиденковым [ 14 ], рассматривающим механический износ как два самостоятельных, протекающих

одновременно процесса истирания и смятия. Под первым Давиденков понимал отрывание с последующим удалением частиц металла, под вторым - расплющивание материала под действием движущегося груза. Применение истирающего материала (наждака, опилок, кварцевого песка) или шлифующих существенно изменяет физическую природу износа, внося в нее элементы резания и приближения к обработке резцом.

Д. В. Конвисаров [ 15 ] видит природу износа в трех процессах :1)хрупком скалывании частиц, 2) пластическом деформировании (смятии), 3) окислении. Эта концепция не является строго сформулированной, т.к. автор не указывает, каким образом окисленный слой будет удален. Он предложил первую классификацию лабораторных машин, предназначенных для изучения изнашивания сталей и сплавов при различных кинематических взаимодействиях испытуемого образца и контртела. Все известные к тому времени машины он классифицировал на девять групп по видам трения, из них шесть групп составляли машины, работающие по схеме трения первого рода, одна группа представляла машины трения второго рода, две последних -смешанный вид трения и трение в сыпучих телах.

П. А. Ребиндер [ 16 ] и его ученики рассматривают процесс износа как поверхностное диспергирование в результате многократной пластической деформации, приводящей к упрочнению и усталостному разрушению. Адсорбционное или адсорбционно -химическое воздействие окружающей среды интенсифицирует этот процесс, облегчая пластическое деформирование и последующее хрупкое разрушение металлов в поверхностном слое. Это облегчает полезный износ в условиях высоких контактных давлений. Под

влиянием адсорбционно-активной смазки имеет место в дальнейшем значительное повышение гладкости поверхности, приводящее к снижению давления, и упрочнению поверхности, что приводит к резкому снижению установившегося износа. Концепция Ребиндера учитывает неоднородность реальных тел и позволяет устанавливать влияние на износ окружающей среды (смазки, воздуха и др.)

Глубокие теоретические исследования действия абразива на материал выполнены В.Н.Кащеевым [ 10 ], который констатировал, что механизм износа материалов абразивными зернами различной степени закрепленности (свободное зерно, абразивная среда, абразивный круг) носит совершенно разный характер в силу неодинаковости схем нагружающих напряжений.

Д.И. Горин [ 17 ] констатировал, что твердость не является достаточно надежным критерием износостойкости. Так, например, пальцы гусеничной цепи из стали 45, закаленные до твердости HRC 52-58, изнашиваются больше, чем такие же пальцы, имеющие твердость HRC 32-36. Эту же концепцию разделяют Rosen, Wellinger, Rosenberg.

Eszlinger [21] различает два механизма износа: слабый износ, когда поверхность деформируется упруго, и интенсивный износ, когда поверхность деформируется пластически. Он рассматривает износ при значительных нагрузках, развивающийся в результате пластического деформирования материала закрепленными абразивными частицами, а при малых нагрузках - износ за счет сдирания окисной пленки.

Мур Д.Ф.[ 24 ] предлагает следующую классификацию семи различных механизмов износа скользящих металлических поверхностей:

1) непрерывный износ, 2) задир или заедание 3) выкрашивание и истирание, 4) химическая коррозия, 5) фреттинг - коррозия, 6) течение поверхности.

Износ в объемном измерении прямо пропорционален нормальной нагрузке и обратно пропорционален твердости металла .

С ростом скорости скольжения трение уменьшается до малых значений, даже в условиях вакуума. С ростом температуры износ увеличивается.

Концепция Боудена и Тейбора о природе трения, в основе которой лежит представление об образовании мостиков сварки и их последующем разрушении, позволяет рассматривать износ как результат удаления с поверхности трения одного тела приварившихся выступов, разрушающихся на некоторой глубине. Критика этой точки зрения дана в работе [ 5 ]. Во-первых, очевидно, что контртело, на которое переносится металл, рано или поздно покроется слоем перенесенного металла и, следовательно, будет происходить износ одноименных материалов. Если бы это было так, то тогда износ любого легче разрушаемого металла по любому другому металлу не зависел бы от природы контртела и был одним и тем же.

Во-вторых, остается неясным вопрос относительно собственного износа (потери веса пары трения) и образования частиц износа. Каким же образом удаляется приварившийся слой?

На эти вопросы дали частичный ответ Kerridge и Lancaster [ 22 ] в исследовании по износу металлов. Они показали, что процесс износа при наличии адгезии идет сложнее, а именно, сначала металл переносится, намазывается на более твердую поверхность в виде тонкого слоя порядка 0,5 мкм, а затем уже отделяется в виде частиц

износа в результате разрушения этого перенесенного, обычно окисленного слоя металла.

Вопросу переноса металла посвящен ряд исследований. Причина переноса заключается в том, что поверхностная энергия твердых тел различна и, очевидно, что в случае их контакта тело с меньшей поверхностной энергией стремиться намазаться на тело с большей поверхностной энергией, однако для этого необходимо выполнение ряда дополнительных условий, например, намазывающееся тело должно быть достаточно пластичным.

Исследованием переноса металла в условиях сухого трения занимался Morton Antler. Он показывает, что при трении сферического индентора по плоскости в условиях сухого трения этот перенос связан с наростообразованием [ 25 ].

Наличие переноса металла в условиях жидкостного трения констатировал Н. А. Буше[ 2 ]. Он установил, что на поверхности стального вала образуется пленка из структурной мягкой составляющей. Пленку иногда создают искусственно, применяя специальные покрытия, фрикционное латунирование, меднение и т.д.

Наличие на Поверхности трения пленки менее прочного материала, является условием внешнего трения, при котором необходимо выполнение правила положительного перепада механических свойств.

Применительно к большой скорости скольжения Боуден рассматривает иной механизм износа. Например, в исследованиях, проведенных совместно Фрейтагом, описывается механизм износа алмаза и металлов при больших скоростях скольжения. Алмаз под влиянием температуры 1000°С превращается в аморфный углерод, который легко изнашивается.

Holm полагает, что: 1) фактическая площадь касания образуется за счет пластической деформации контактирующих поверхностей; 2) износ обусловлен атомарным взаимодействием двух поверхностей.

Burwell и Strong [ 20 ] считают, что при износе отделяются частицы, а не отдельные атомы, в результате взаимодействия не атомов, а шероховатостей. Они учли предположение, которые сделали Rabinowicz и Tabor, полагавших, что площадка единичного контакта постоянна, и при увеличении нагрузки возрастает число площадок и частиц износа, размеры же их от величины износа не зависят.

Необходимо отметить атомно-энергетическое направление в теории изнашивания при резании. Используя закон сохранения энергии были установлены основные соотношения теплового баланса процесса резания в зависимости от режимов резания. Используя теории Г. Флайтера [58 ] и Е. Рабиновича [ 33 ] было получено основное уравнение интенсивности массового износа при резании: dM/ck = [d(Q-w-N)/ dx] / [д р,/ дм+ аи/ам],

где Q-суммарная величина энергии от внешних источников, включая тепловую (W) и нетепловую (N) составляющие,

W-тепловая составляющая суммарной энергии складывается из работы трения, работы пластической деформации и необратимой части работы диспергирования,

N-нетепловая составляющая суммарной внешней энергии складывается из энергетических затрат на работу пластической деформации контактных поверхностных микрообъемов, насыщающихся скрытой внутренней энергией на величину Р и энергетических затрат на диспергирование (А),

л

Ррвнутренняя энергия контактного объема материала инструмента до взаимодействия.

Это уравнение представляет термодинамическое выражение взаимосвязи интенсивности массового износа (ёМ/ск) с энергетическими характеристиками внешних процессов, протекающих на контактных поверхностях инструмента [ё(Р-\¥-Н)/с1т], и внутренними энергетическими параметрами исходного и трансформированного состояния контактного слоя инструмента [5 Р1/аМ+Ш/ЭМ].

Увеличение внутренней энергии в контактных слоях приводит к повышению химического потенциала, уменьшающего интенсивность износа.

с1Ризн/ ЭМ=Э Р]/ ЭМ+ Эи/<ЭМ- химический потенциал (удельное содержание внутренней энергии частицы износа). В предельном случае численно совпадает с удельной работой износа. С другой стороны, повышение внутренней энергии контактных слоев уменьшает способность . материала к энергонасыщению. Интенсивность износа пропорциональна суммарной энергии от внешних источников энергии.

Для качественной оценки интенсивности изнашивания инструмента в зависимости от состава покрытия предлагается использовать феноменологическую теорию твердого тела конфигурационную модель вещества (КМВ) [28]. Объемная интенсивность адгезионного изнашивания Ма режущего инструмента с покрытием может быть представлена в в