Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 11
1.1. Износ инструмента 11
1.2. Влияние СОТС на процесс лезвийной обработки 13
1.3. Механизм действия присадок высокого давления 16
1.3.1. Термодинамический анализ влияния галогенов на механическую обработку металлов 20
1.4. Термохимические реакции металлов с неорганическими компонентами СОЖ 25
1.5. Влияние йода на процессы трения и обработки металлов резанием 31
1.5.1. Физические и химические свойства йода 31
1.5.2. Применение йода в качестве трибоактивного покрытия.. 33
1.5.3. Применение йода в смазочных композициях 37
1.5.4. Механизм действия йода в СОТС 41
1.6. Негативные факторы при использовании СОТС 46
Выводы по литературному обзору и постановка задач исследования 49
Глава 2. CLASS Изучение смазочной способности иодсодержащих сотс в процессах фрикционного взаимодействия металлов CLASS 51
2.1. Материалы и общая методика исследований 51
2.2. Описание работы минитрибометра 53
2.3. Методика определения эффективности йодсодержащих СОТС в процессах фрикционного взаимодействия металлов 55
2.4. Проведение эксперимента по определению коэффициента трения 58
2.5. Исследование коэффициента трения 59
Выводы по главе 3 63
Глава 3. CLASS Экспериментальные исследования процесса резания и стойкости инструмент CLASS а 65
3.1. Материалы и методы определения характеристик процесса резания и стойкости инструмента 65
3.2. Результаты эксперимента по определению стойкости 70
3.3. Исследования шероховатости поверхности 78
3.4. Исследование усадки стружки при резании 80
3.5. Измерение температуры резания при применении йодсодержащих СОТС 83
Выводы по главе 3 89
Глава 4. Объяснение механизма действия йодсодержащих сотс на основе физико- химических исследований контактных поверхностей после обработки 91
4.1. Микродиффракционные исследования вторичных структур, полученных при резании нержавеющей стали 12Х18Н10Т и титана ВТ5-1 91
4.2. Исследования глубины деформирования поверхностного слоя после обработки 97
4.3. Исследования зон вторичных деформаций, полученных при резании нержавеющей стали 12Х18Н10Тистали45 101
4.4. Механизм действия йодсодержащих СОТС при резании и трении металлов 105
Основные выводы по работе 111
Список использованной литературы 112
Приложения 121
- Влияние СОТС на процесс лезвийной обработки
- Описание работы минитрибометра
- Результаты эксперимента по определению стойкости
- Исследования глубины деформирования поверхностного слоя после обработки
Введение к работе
Быстрорежущие стали по-прежнему остаются одним их самых распространенных инструментальных материалов при обработке металлов резанием. Актуальность использования этого материала состоит в простоте изготовления, даже сложного фасонного инструмента, в простоте переработки, в дешевизне. Основным показателем, отвечающим за эксплуатационные свойства режущего инструмента, является его работоспособность, которая характеризуется способностью инструмента "...выполнять свои функции, имея износ рабочих поверхностей меньший критериального значения". Поэтому повышение износостойкости быстрорежущего инструмента является важной задачей современного машиностроения.
Большое влияние на износостойкость бысторежущего инструмента оказывают свойства смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Правильный подбор СОТС для заданных условий резания (скорости, подачи, глубины резания), а также для определенных обрабатываемых материалов является очень важной задачей в трибологии. В процессе точения контактирующие поверхности инструмента и обрабатываемой детали находятся в тяжелых условиях трения и износа: возникают деформации сжатия, растяжения, сдвига; процесс сопровождается большим тепловыделением, упрочнением, разупрочнением и структурным превращением поверхностного слоя.
Применение смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) при металлообработке, как показывает практика, оказывает эффективное влияние на повышение стойкости инструментов. Физико-химический механизм действия СОТС достаточно сложен и, в основном, обусловлен изменением условий взаимодействия поверхностей режущего клина инструмента с обрабатываемым материалом, что выражается, прежде всего, в изменении условий контактирования.
Особый интерес в данной проблеме представляет анализ действия присадок галогенов, так как наличие их в смазочных композициях ведет за собой уменьшение адгезии, снижение коэффициента трения, тем самым увеличение срока работоспособности инструмента. Из всего ряда галогенов больший интерес представляют хлор и йод. Первый достаточно хорошо изучен и широко применяется в разработке и производстве СОТС, но зачастую эффективность смазочных композиций с хлором, возрастает вместе с вредностью, поэтому альтернативой ему может быть йод, механизм действия которого представляет большой интерес. Еще в 60-х годах впервые в СССР был применен йод в качестве компонента СОТС для обработки металлов резанием. В этот же период американскими фирмами «Lockheed» и «General electric» при обработке резанием никелевых и титановых сплавов применили смазочные композиции с присадками йода, что повысило стойкость резцов на 44 - 74 %. Французские инженеры также обнаружили, что при трении в узлах деталей машин при форсированных режимах (обнажении ювенильных поверхностей) лучшие результаты обеспечивают СОТС, содержащие йод. На данный момент существует несколько предположений, объясняющих эффективность действия йода в СОТС. Настоящая работа будет посвящена изучению влияния йодсодержащих СОТС на обработку резанием и трение различных металлов, а также выяснения механизма действия йода, созданию составов СОТС для различных условий трения и обработки резанием, участвующих в экспериментах металлов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) Установлено положительное влияние присадок йода в СОТС на масляной основе, на характеристики процессов резания и фрикционного взаимодействия за счет образования на контактных поверхностях титановых сплавов и нержавеющих сталей смазочных пленок;
2) Определена эффективная концентрация йодсодержащих присадок в масляных СОТС, составляющая 0,005-0,1 масс.%. Превышение предельной концентрации ведет к ускоренному коррозионному (химико-окислительному) износу инструмента, концентрация ниже 0,005 масс.% не оказывает влияния на эффективность масляных СОТС.
3) Выявлен трехстадийный механизм образования смазочных слоев йодсодержащих СОТС с образованием химических комплексных соединений йода с элементами обрабатываемого материала. Установлена прямая зависимость эффективность йодсодержащих СОТС от равенства энтальпии образования йодидов титана и железа и свободной поверхностной энергии этих металлов.
Практическая ценность работы:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили:
1. Определить оптимальные концентрации присадок йода для повышения стойкость быстрорежущего инструмента при наружном точении, уменьшении коэффициента трения в паре инструмент -заготовка и снижении шероховатости обработанной поверхности титанового сплава ВТ5-1, сплава 12Х18Н10Т и стали 45;
2. Получить технологию и рекомендации по использованию присадок йода в составах СОТС со свойствами оптимально подходящими для обработки титановых сплавов, нержавеющих сталей.
Научные и практические результаты работы реализуются в госбюджетных научно-исследовательских работах, выполняемых на базе трибологического центра ИвГУ.
Рекомендации по использованию результатов работы переданы на государственное предприятие завод " ИВХИМПРОМ "
Основные положения диссертации докладывались на научной конференции «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете» (Иваново, 2007), научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука в классическом университете» (Иваново, 2007 и 2008), межвузовских семинарах «Физика, химия и механика трибосистем» (Иваново, 2006, 2007,2008)
Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:
1. Тимаков А.С, Латышев В.Н., Раднюк B.C., О механизме действия йодсодержащих СОЖ //Физика, химия и механика трибосистем Межвузовский сборник научных трудов - Вып. 4. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2005г. -С.102-103
2. Тимаков А.С. Влияние йодсодержащих СОТС на шероховатость поверхности //Физика, химия и механика трибосистем Межвузовский сборник научных трудов - Вып. 5. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2006г. - С.85-86
3. Тимаков А.С. Смазочная способность присадок йода при трении металлов // Молодая наука в классическом университете. Тезисы докладов науч. конференции, Иваново: Иван. гос. ун-т, 2008г. - Ч. 8. - С.80-81
4. Тимаков А.С., Латышев В.Н., Раднюк B.C., Наумов А.Г., Корчагин А.В. О механизме действия йодсодержащих СОТС при резании металлов //Физика, химия и механика трибосистем. Межвузовский сборник научных трудов - Вып. 6. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2007г. - С.37-42
5. Тимаков А.С, Латышев В.Н. Исследование смазочных свойств йода при трении металлов // Физика, химия и механика трибосистем. Межвузовский сборник научных трудов - Вып. 6. Иваново: Иван. гос. ун-т, 2007г. - С.119-120
6. Тимаков А.С, Латышев В.Н., Раднюк B.C., Наумов А.Г., Корчагин А.В. Применение йода как компонента СОТС при резании металлов //Металлообработка (Санкт-Петербург) М.: 2008г.- №3(45). - С.9-14. (Рек. пер. ВАК)
7. Тимаков А.С, Латышев В.Н., В.Н., Раднюк B.C., Наумов А.Г., Корчагин А.В. Облегчение процесса резания материалов микро- и нанодозами СОТС// Металлообработка (Санкт-Петербург) М.: 2008г.- №4(46). - С.7-13. (Рек. пер. ВАК)
Работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и трех приложений.
Во введении обоснована актуальность проблемы, обозначена цель исследования, определены методические и теоретические основы работы, изложена научная новизна и практическая ценность.
В первой главе содержится аналитический обзор литературы, посвященной вопросам изнашивания быстрорежущего инструмента, а так же повышения работоспособности этого инструмента путем применения галогеносодержащих СОТС (присадки высокого давления). Приводится анализ работ, связанных с проблемой обработки некоторых труднообрабатываемых металлов и их сплавов, а также с методами решения этой проблемы.
Вторая глава посвящена проведению эксперимента по влиянию концентрации компонентов СОТС на смазочную способность СОТС, имеющие в составе йод.
В третьей главе представлены результаты исследований по влиянию состава йодсодержащих СОТС, на характеристики процесса резания и стойкость быстрорежущего инструмента, температуру в зоне контакта
Четвертая глава посвящена объяснению механизма действия йодсодержащих СОТС на основе физико-химических исследований контактных поверхностей после обработки, приводятся исследования глубины деформированного слоя, величины зоны вторичной деформации.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю член-корр. Академии технологических наук РФ, заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д.т.н., профессору В.Н. Латышеву, д.т.н. проф. А.Г. Наумову; преподавателям и сотрудникам кафедры экспериментальной и технической физики ИвГУ к.т.н.., доц. Н.М. Оношину, инж. А.Н. Прибылову, СЕ. Невской, И.В. Муравьевой.
Влияние СОТС на процесс лезвийной обработки
Значительное влияние на процесс схватывания оказывает применение смазывающих жидкостей. При резании в среде воды, масел, четыреххлористого углерода, различных спиртов и т. д. в зависимости от свойств инструментального и обрабатываемого материалов адгезия может уменьшаться или увеличиваться. Подобное влияние на процесс адгезии и трения оказывают и другие смазывающие жидкости. Однако в области высоких давлений вблизи режущей кромки на площади, несколько большей сечения срезаемого слоя, смазка не в состоянии полностью устранить адгезию, мельчайшие поры на поверхности контакта вполне достаточны для проникновения жидкости. Чем менее вязка жидкость, тем быстрее она проникает в контакт. Например, четыреххлористый углерод и вода быстрее проникают в контакт, чем масло.
Одним из основных видов борьбы со всеми видами износа инструмента является применение СОТС. Использование СОТС обеспечивает отвод теплоты от режущего инструмента и заготовки, уменьшает энергетические затраты на упруго-пластические деформации, уменьшает трение между передней поверхностью резца и стружкой, между задней поверхностью резца и заготовкой, а также облегчает процесс стружкообразования.
Процесс резания металлов с использованием СОТС сопровождается рядом физико-химических явлений, происходящих на контактируемых поверхностях обрабатываемого материала и режущего инструмента. По мнению автора работы [73] действие смазочного материала при резании металлов протекает по радикально-цепному механизму, заключающемуся в следующем: в процессе резания вскрываются физически чистые ювенильные поверхности, эмитирующие электроны и кванты света, которые бомбардируют молекулы СОТС с последующим образованием свободных атомов и химических радикалов.
Образование химических радикалов может также происходить под действием различного рода излучений, термического пиролиза, ионизирующих излучений, вследствие прохождения электрического тока через СОТС.
К присадкам высокого давления относятся такие вещества как сера, фосфор, хлор, фтор, йод и др. В результате избирательного химического процесса присадка высокого давления (ВД) генерирует в зоне резания радикалы или непосредственно создает на трущихся поверхностях продукты реакции — смазочные химические пленки. Выявление эффективности действия присадок, их температурно-избирательного действия является актуальной задачей. При этом следует указать, что присадки высокого давления не исключают действие кислорода.
По мнению Виноградова Г.В.[21] вещества, содержащие в своем составе присадки ВД, действуют в смазочных маслах во многих отношениях сходно с кислородом и кислородосодержащими соединениями. Они усиливают действие друг друга[20].
Так, например, по данным Семенова В.В.[77,78,80,81] основное действие растворов неорганических хлоридов при обработке молибдена сводится к усилению окислительных процессов в зоне контакта. А поскольку фрикционные свойства оксидов кобальта и молибдена невысоки, становится ясной относительно низкая эффективность их при резании. В качестве гипотезы, объясняющей эффективность действия органических хлорзамещенных соединений определенной структуры, принята гипотеза о радикально-цепном механизме разрушения компонентов СОТС [80].
Образовавшиеся радикалы хлора вступают в реакцию с металлом с образованием хлоридов, структура кристаллической решетки которых обуславливает малые сдвиговые усилия при деформации решетки, что препятствует адгезии инструментального и обрабатываемого материалов. Радикалы СС7 ,рекомбинируя, образуют более сложные соединения (например, гаксахлорэтан, экспериментально обнаруженный при взаимодействии CCU с железом [15]. Развитие этой цепочки реакций может приводить к образованию сложных квазиполимерных соединений. Активный кислород, поступающий в зону резания в составе воздуха, частично вступает в реакцию окисления, а частично связывается радикалами CCU с образованием фосгена, наличие которого представляет особую опасность при работе с СС14- Однако конкурирующие процессы окисления в присутствии кислорода воздуха не могут быть превалирующими, т.к. для разрыва связей в молекуле хлоралифатических соединений происходит значительно легче (энергия разрыва связей 70-90 ккал/моль, для кислорода - 117 ккал/моль).
Описание работы минитрибометра
Исследования проводились на специально разработанном научными сотрудниками ИвГУ трибометрическом стенде (рис. 2.1) по схеме трения диск - диск и на машине трения СМЦ - 2 по схеме диск - колодка. Выбор первой пары трения обусловлен тем, что она наиболее точно моделирует трение, происходящее в процессе резания металлов, а второй, что позволяет смоделировать износ в процессе резания.
Принцип действия установки следующий: вращение от электродвигателя через редуктор передается на контртело, представляющее собой стальной диск. Испытуемый образец при помощи механизма нагружения прижимается к контртелу. Этот образец закреплен на одной оси вместе с маятником.
При взаимодействии поверхностей образца и контртела в зоне контакта возникает сила трения, которая поворачивает образец, тем самым, отклоняя маятник на некоторый угол. Отклоняясь, маятник создает силу, которая направлена противоположно силе трения. В момент, когда эти силы уравниваются, начинается проскальзывание образца в зоне контакта с контртелом.
По величине угла поворота маятника оценивается коэффициент трения. Для его точного измерения служит датчик по типу дифференциального трансформатора, который обладает достаточной точностью и малой погрешностью измерения (рис.2.2). Он состоит из ферритового сердечника с маркой феррита 600НН с намотанной на него медной проволокой, который свободно перемещается внутри катушки. Катушка состоит из двух обмоток медной проволоки, соединенных параллельно. При возникновении силы трения между образцами происходит отклонение маятника на некоторый угол, тем самым меняя положение сердечника относительно первичной обмотки. Таким образом меняется магнитное поле и напряжение на выходе АЦП.
Для проведения исследований по определению смазочной способности йодсодержащих СОТС, было изготовлено 3 опытных образца из различных материалов: сталь 45, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титановый сплав ВТ1-0, которые представляют собой диски с наружным диаметром 30 мм, внутренним диаметром 8 мм, и толщиной 5 мм рис. 2.1. и 3 колодки из тех же материалов для машины трения СМЦ - 2. Перечень материалов выбирался исходя из того, чтобы охватить материалы, наиболее подвергаемые процессам механических обработок. В качестве контртела использовался диск из стали 45, закаленный до твердости 57 единиц по шкале HRC.
В начале каждого эксперимента образцы притирались в сухую при малой нагрузке (1 Н-мм2) до стабилизации коэффициента трения. По окончании эксперимента пара трения протиралась ацетоном, рабочие поверхности обрабатывались наждачной бумагой и снова притирались до стабилизации коэффициента трения.
Исследования проводились при подаче в зону трения йодсодержащих СОТС частичным погружением подвижных образцов в емкость с СОТС. Нагрузка в эксперименте добавлялась ступенчато. На каждой ступени нагружения после стабилизации момента трения, на трибограмме прописывался участок равный 3t времени стабилизации (за исключением трения с заеданием). По которому и высчитывалось среднее значение момента трения на соответствующей ступени.
Скорость в зоне трения составляла 0,5 м/с, площадь пятна контакта для данной пары трения составила 2 мм2 (определяли экспериментально).
Давление в контактной зоне рассчитывали по формуле: p = 0,59 где P - контактное давление, МПа; Е - модуль Юнга,ГПа; 1 - ширина контакта, м; R - радиус диска, м. Ступенчатое нагрузка
На минитрибометра использовали ступенчатую нагрузку F = 3,6; 7,2; 10,8; 14,4; 18Н, на машине трения СМЦ - 2 - с шагом в 0,7 кН до 3 кН. Скорость трения составляла 7,5 м/мин. Результаты испытаний по трению на минитрибометре для водных СОТС Для сужения диапазона исследуемых концентраций и определение вида присадки йода были проведены предварительные эксперименты на выявление эффективности при трении. Для эксперимента были выбраны следующие концентрации: 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10%, а также присадки йода в виде соли KI, кристаллический йод, а также спиртовой раствор йода (для увеличения пределов растворения йода в масле и воде).
По результатам предварительных экспериментов наиболее эффективной присадкой оказался кристаллический йод в пределах 0,01-0,1 масс.% . В итоге определился искомый диапазон концентраций йода для детального исследования смазочной способности йода при трении. Данные значений коэффициента трения для СОТС с различными концентрациями присадок йода приведены в таблице П.1 - П.З (см. приложение).
Из проведенных экспериментов установлено, что максимальный смазочный эффект от применения присадок йода к маслу И-20А наблюдается при трении стали 45. В приложении 2 приведены трибограммы моментов трения. Эксперименты по определению смазочной способности йодированной водных и масляных сред показали, что применение таких СОТС позволяет понизить момент трения для стали 45 в 1,5 - 1,75 раз по сравнения с трением в чистых масле и воде. Подобная картина наблюдается и при использовании других материалов.
Снижение моментов трения объясняется тем, что йод, в следствии повышения температуры распадается на радикалы и в зоне трении возникают вещества, типа йодидов, имеющие низкий коэффициент трения, оказывающие влияние на химически активные поверхности трения, образуя защитные смазочные пленки.
Применение йодированных масляных и водных сред в качестве СОТС при трении, позволило не только уменьшить коэффициенты трения, но значительно снизить шероховатость поверхности трения. Так при концентрации присадки 0,01 — 0,05 масс.%, шероховатость уменьшается в 1,5 раза по сравнению с трением в масле И-20А.
Результаты эксперимента по определению стойкости
Стойкость инструмента, т.е. период его работоспособного состояния, представляет собой интегральный показатель отдельных характеристик процесса резания. Значительное влияние на стойкость инструментов оказывют и применяемые СОТС, которые предназначены для целенаправленого создания условий, облегчающих процессы термомеханических воздействий на режущий клин инструмента, сход стружки, уменьшающих взаимодействия между задними поверхностями инструмента и обрабатываемым материалом.
Для качественного подхода к изучению влияния йодсодержащих СОТС необходимо составить матрицу планирования эксперимента для определения наиболее значимых присадок и концентраций с целью дальнейшего изучения присадки и сужения диапазона концентраций.
Для эксперимента были выбраны следующие концентрации: 0,01; 0,1; 1; 10% в виде неорганических присадкок для исключения органической составляющей, наиболее активные соли KI, Cal, а также спиртовой раствор йода (для увеличения пределов растворения йода воде). Присадки растворяли только в дистиллированной воде, так как в случае использования индустриального масла появляется органическая связь, что может способствовать искажению реальной эффективности йода, а кроме этого вода обладает лучшими охлаждающими свойствами, по сравнению с маслом.
Классическая схема динамики износа состоит из 3 этапов: процесс приработки, процесс нормального износа, катастрофический износ. Присутствие в СОТС йода (рис. 3.4-3.6) уменьшает период приработки и увеличивает время нормального износа инструмента. Следует отметить, что в процессе резания не наблюдалось ярко выраженного катастрофического износа с последующим разрушением инструмента. На последнем этапе резания интенсивность износа инструмента была значительно ниже, чем при резании всухую. Полученные результаты свидетельствуют о протекании достаточно сложных физико-химических процессов, протекающих в зоне контакта инструмента с обрабатываемым материалом. По нашему мнению, основой этих процессов является частичное или полное разрушение СОТС в зоне действия высоких температур и давлений. Причем, интенсивность этих процессов, а так же порядок разрушения веществ, главным образом, зависит от концентрации йода в составе СОТС. Образование новых соединений, фазовый состав которых так же зависит от количества исходных веществ способствует уменьшению температуры в зоне контакта и снижению коэффициента трения, что является очень важным для быстрорежущего инструмента, так как потеря стойкости для этого материала происходит главным образом из-за превышения температуры отпуска порядка 550-600 С. 3.3. Исследования шероховатости поверхности
Изучали влияние присадок йода к СОТС на высоту микронеровностей Ra обработанной поверхности. Исследования проводились при точении стали 45, ВТ1-0 и I2X18H10T резцами, изготовленными из быстрорежущей стали Р6М5. Резание осуществлялось в сухую и с применением СОТС. Измерения проводили на профилографе-профилометре «Абрис ПМ7». В качестве СОТС были использованы водные растворы кристаллического йода с разной концентрацией йода.
Исследование влияния различных СОТС на шероховатость обработанной поверхности стали 45 и 12Х18Н10Т показали, что в присутствии иодсодержащей СОТС среднее значение высоты микронеровностей может уменьшается по сравнению с резанием всухую, а минимальная высота профиля - при обработке в 0,01-0,02% растворе. Для титанового сплава ВТ5-1 минимальное значение шероховатости при 0,02-0,05%. Исходя из этих данных можно утверждать, что йодсодержащая среда положительно влияет на трибологическую обстановку в зоне резания, тем самым улучшая качество обрабатываемой поверхности для всех рассматриваемых материалов.
Исследование усадки стружки имеет большое научно-практическое значение для объяснения явлений, происходящих при пластических деформациях на контактных поверхностях в процессе резания.
Режимы резания оказывают существенное влияние на процессы, происходящие в зоне резания, в частности, на усадку стружки, силу, температуру, вибрации и т.д. Они, в конечном счете, определяют стойкость и работоспособность инструмента. Влияние режимов резания на процессы в зоне резания является переменным при изменении свойств и состава обрабатываемого и инструментального материалов. Усадка является внешним выражением той пластической деформации, которая сопровождает образование стружки, но величина усадки не всегда может точно выражать степень деформации. Она зависит от угла резания и коэффициента трения на передней поверхности инструмента, т.е. от направления равнодействующей силы. Поэтому, при постоянной геометрии инструмента по величине усадки стружки можно судить о смазочной способности СОТС.
Канавка для термопары в теле резца Как показали наши исследования, важную роль в уменьшении температуры резания играет СОТС за счет охлаждения зоны контакта и снижения работы сил трения. Значительное влияние СОТС оказывает на колебания температуры в зоне контакта за счет образования смазочных пленок, улучшения процесса стружкообразования - перехода стружки скалывания в сливание. Особое влияние колебания температуры резания оказывают на износ и стойкость твердосплавного режущего инструмента. Впервые влияние внешней среды на колебания температуры резания при резании всухую и с применением СОТС установил Ю.М. Ватагин. Им была разработана специальная методика для изучения колебаний температуры резания, а также распределения ее по контактным площадкам. Методика заключалась в измерении температуры резания с помощью полуискусственной термопары, расположенной на различном удалении от режущей кромки в разрезном резце.
Исследования глубины деформирования поверхностного слоя после обработки
Метод определения микротвердости предназначен для оценки твердости очень малых (микроскопических) объемов материалов. Его применяют для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев, покрытий и т. д. Важное назначение — оценка твердости отдельных фаз или структурных составляющих сплавов, а также разницы в твердости отдельных участков этих составляющих.
На обработанной поверхности наибольшей степени пластической деформации подвергаются наружные, приповерхностные слои металла, где микротвердость имеет максимальное значение. Под обработанной поверхностью, в глубине металла, степень пластической деформации и соответствующая ей микротвердость убывают до значений твердости матричного металла. На рисунке 4.7 показано измерение микротвердости стали 45. Видно, что с увеличением глубины микротвердость уменьшается до тех пор, пока не становится постоянной, т.е. равной микротвердости исходного образца. Как видно, наименьший деформируемый слой (125 мкм) для стали 45 получился при резании в йодсодержащей СОТС, тогда как дополнительное введение в состав СОТС поверхностно-активного вещества ДНСА не дает значительного эффекта, что связано с малой эффективностью таких составов при действии высоких температур и давлений.
Максимальное влияние на глубину поверхностного слоя было получено на титановом сплаве ВТ 5-1. Снижение глубины деформированного слоя в случае использования йодсодержащей СОТС в 1,6 раз (рис. 4.8). Весьма низкая теплопроводность титановых сплавов и присущая им относительно высокая температура рекристаллизации, а также значительная жаропрочность, обусловливают большую величину фактора упрочнения стружки при их резании, а следовательно, — большую величину углов скольжения, малую усадку стружки и сравнительно невысокую интенсивность пластического деформирования срезаемого слоя при превращении его в стружку.
Все полученные результаты однозначно определяют эффективность йода при снижении деформированной слоя, уменьшении уменьшении сил молекулярного взаимодействия между режущим инструментом и образцом, улучшении смазочной способности СОТС. Полученные результаты показывают, что присадки йода к СОТС способствуют облегчению процесса резания - к уменьшению величины деформированной зоны.
Металлографические снимки в увеличенном масштабе дают изображения внутренних сдвигов и разрушений в пластически деформированном металле, раскрывают механизм образования новых поверхностей, наростов и трещин. Объектом съемки на металлографических снимках являются объемы материала срезаемого слоя и стружки, прилегающие к лезвию резца.
Резец состоит двух металлических пластин, фиксированных между собой винтами 5, 4, 3. Между пластин закреплена державка 6 с резцом 1, закрепленным винтами 2, подпружиненная снизу жесткой пружиной и фиксированная сверху винтом 3. Резец вместе с державкой закрепляется в стандартном резцедержателе станка 16К20. Механизм действия отстреливающего резца основан на мгновенном останове процесса резания, с помощью винта 3, поворотом которого осуществляется отстрел державки, а резец падает вниз, благодаря пружине и винту 4, вокруг которого происходит вращение.
На данном этапе исследовалась корни стружки обрабатываемых материалов, так как о смазочной способности СОТС можно судить по величине зоны вторичной деформации. В ходе этих исследований производилось точение стали 45 и 12Х18Н10Т резцом из быстрорежущей стали Р6М5, при использовании различных вариантов технологических сред: точение всухую, полив водой и маслом И20А, вода и масло с присадками йода. Изучение приповерхностных слоев заготовки после обработки дает величину деформированного слоя, по которому косвенно можно судить о температурах в зоне контакта, адгезионных взаимодействиях и как следствие эффективности СОТС.
Каждый образец, полученный в результате исследований, фотографировался при помощи микроскопа МЕТАМ ЛВ-31 при увеличении 300 раз.
На основании микродиффракционных исследований вторичных структур на поверхностях трения и резания можно предположить, что в основе эффективности смазочных композиций с йодом, лежит способность йода образовывать между поверхностями трения химических соединений, типа галогенидов, способных изменять силы трения в контакте. Высокая смазывающая способность дииодида железа (низкий коэффициент трения), как следует из работы [57, 58], обусловлен рядом факторов, основными из которых являются: форма кристаллической решетки, степень неоднородностей связей между атомами кристаллической решетки, форма поверхностных слоев и др. Такое сочетание, что обеспечивает высокие трибологические свойства Fel2. Слоистая структура и параметры кристаллической решетки (а = 0,405 нм, с = 0,675 нм) позволили авторам работы [58, 72] классифицировать дийодид железа как вещество, принадлежащее к классу анизодесмических соединений, у которых относительная прочность связей между атомами резко отлична в различных направлениях. В структуре дииодида железа сочетаются два типа связей: вандерваальсовая и ионноковалентная. Причем, связь между атомами йода, расположенными в параллельных плоскостях, является вандерваальсовой, а связь между атомами Fe - 1 - ионноковалентной. На основании предложена структурная модель дииодида железа, основанная на структурах типа CdCh, MoS2 . Структура Fel2 представляет собой параллельные слои соединений Ре-1. Взаимодействие отдельных слоев осуществляется посредством связей между атомами йода, расположенными с наружной стороны слоев.
Немаловажным фактором при анализе влияния йодсодержащих СОТС на процессы резания является его радикалообразовательная функция. В работах [58, 72] , показано, что в процессе резания благодаря наличию ювенильных поверхностей инструментального и обрабатываемого материалов, а также наличию в зоне резания паров воды и кислорода, соединения йода будут распадаться с выделением молекулярного йода, что приведет к образованию химических радикалов в зоне контакта. Спектральный анализ чистого кристаллического йода, полученного в инертной атмосфере аргона при температурах нагревания 200-230С, представлял собой шесть последовательных пиков, находящихся диапазоне напряженности поля 2870-3070 Э. Каждый пик соответствует одному из шести значений спиновых моментов атома йода (-5/2, -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, +5/2). Результаты исследований[58,72], проведенными с йодсодержащими СОТС (рис. 4.13), показали наличие спектра ЭПР в диапазоне напряженности магнитного поля, соответствующего атомарному йоду.
