Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о процессе шлифования металлов 19
1.1. Периодический закон и свойства металлов 19
1.2. Электронная модель атома металла 29
1.3. Физико-химические процессы при шлифовании металлов 34
1.4. Основные направления повышения эффективности шлифования 44
1.5. Цель и задачи исследования 52
2. Анализ химической, диффузионной и адгезионной активности d-переходных металлов 56
2.1. Электронная структура d-переходных металлов и карбида кремния 56
2.2. Анализ химического взаимодействия d-переходных металлов с карбидом кремния 69
2.3. Анализ диффузионного взаимодействия d-переходных металлов с карбидом кремния 82
2.4. Исследование адгезионного взаимодействия d-переходных металлов с карбидом кремния 92
2.5. Выводы 106
3. Критерий интенсивности взаимодействия обрабатываемого и абразивного материалов при шлифовании 108
3.1. Перенос абразивного материала как критерий интенсивности взаимодействия пары абразив-металл при шлифовании 108
3.2. Основные закономерности распределения кремния на шлифованной поверхности 112
3.3. Исследование интенсивности взаимодействия абразивного материала с металлом в зависимости от режимов шлифования и твердости круга 121
3.4. Исследование интенсивности взаимодействия абразивного материала с металлом при шлифовании в различных средах 127
3.4. Выводы 130
4. Теоретико-вероятностная модель формирования рабочей поверхности абразивного инструмента при шлифовании 132
4.1. Основные закономерности формирования рабочей поверхности круга при шлифовании 133
4.2. Изнашивание рабочей поверхности круга в результате вырывания зерен и скалывания вершин 144
4.3. Глубина резания и износ единичного зерна 151
4.4. Распределение зерен на рабочей поверхности круга при шлифовании 158
4.5. Выводы 162
5. Шлифование d-переходных металлов 164
5.1. Распределение кремния на поверхности металлов после шлифования 164
5.2. Влияние электронного строения атомов металлов на перенос кремния 169
5.3. Износ круга 177
5.4. Силы шлифования 184
5.5. Качество шлифованной поверхности 187
5.6. Выводы 196
6. Влияние химической активности наполнителя на процесс шлифования адгезионно-активных d-переходных металлов 199
6.1. Кинетика химического взаимодействия d-переходных металлов с галагенидами 200
6.2. Термодинамический анализ химических реакций d-переходных металлов с хлоридами и фторидами 204
6.3. Исследование влияния химической активности наполнителей на показатели шлифования d-переходных металлов 226
6.4. Выводы 232
7. Шлифование сплавов на основе адгезионно-активных d-переходных металлов 233
7.1. Износостойкость карбида кремния и электрокорунда при микроцарапании d-переходных металлов 234
7.2. Шлифование сплавов на основе титана 236
7.2.1. Влияние легирующих элементов на интенсивность контактного взаимодей ствия сплавов с абразивным материалом 236
7.2.2. Влияние интенсивности взаимодействия сплава с абразивным материалом на износ круга и качество обработанной поверхности 239
7.2.3. Выбор абразивного материала и связки 244
7.2.4. Рекомендации по выбору СОТС 248
7.2.5. Совершенствование абразивного инструмента при шлифовании без охлаждения 259
7.2.6. Влияние технологий шлифования на долговечность деталей 265
7.2.7. Режимы обработки для различных операций шлифования 268
7.3. Шлифование сплавов системы Ti-Nb-Al 272
7.4. Глубинное шлифование сплавов на основе титана 277
7.5. Выводы 289
2 8. Общие выводы 292
9. Литература 295
10. Приложения 313
- Физико-химические процессы при шлифовании металлов
- Основные закономерности распределения кремния на шлифованной поверхности
- Износ круга
- Влияние интенсивности взаимодействия сплава с абразивным материалом на износ круга и качество обработанной поверхности
Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогрессивное развитие техники и техно-логин требует постоянного совершенствования конструкционных материалов. Повышаются требования к жаропрочности, жаростойкости, химической стойкости, устойчивости при облучении и другим эксплуатационным параметрам. Добиться желаемого результата нельзя без использования d-переходных металлов, обладающих уникальными комплексами физических, химических и механических свойств.
Области использования и спектр применяемых металлов постоянно расширяются. Ранее считавшиеся экзотическими, тугоплавкие металлы JVB и VB подгрупп Периодической системы элементов в последнее время в ряде отраслей получили широкое распространение. d-Переходные металлы используются в авиационной, ракетной и космической технике, теплоэнергетике, радиоэлектронике, химической промышленности, машиностроении, металлургии, медицине, бытовой технике и др. Тем не менее, процессы шлифования, являющиеся финишными этапами обработки деталей машин и механизмов, в результате которых происходит окончательное формирование поверхностного слоя, для d-переходных металлов изучены недостаточно, что значительно затрудняет освоение производства изделий из новых конструкционных материалов.
В большей степени исследованы процессы абразивной обработки титана, никеля, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе, менее изучены процессы шлифования циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала. d-Переходные металлы существенно различаются по обрабатываемости. Некоторые из металлов, например, тантал, обладают повышенной склонностью к адгезионному взаимодействию с абразивным материалом, что является причиной плохого качества поверхности детали и низкой стойкости инструмента.
Для выяснения основных закономерностей шлифования d-переходных металлов и разработки научно-обоснованных рекомендаций по совершенствованию процесса необходимо перейти от исследования шлифования отдельных металлов к изучению их обрабатываемости как единого класса d-переходных элементов в зависимости от положения в Периодической системе и электронного строения их атомов.
В работу вошли результаты теоретических и экспериментальных исследований автора за период с 1974 по 1999 годы, выполненные в соответствии с координационными планами Всесоюзных, Всероссийских программ и заказами предприятий.
Цель работы - создание научных основ шлифования адгезионно-активных d-переходных металлов с учетом электронного строения их атомов, физико-химического взаимодействия с абразивным материалом, компонентами смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) и повышение эффективности шлифования труднообрабатываемых адгезионно-активных металлов и сплавов.
Методы и средства исследований. В работе использованы системный подход и комплексная методика исследований диффузионных, химических, адгезионных и механических процессов, протекающих в зоне контакта инструмент-деталь при шлифовании. Теоретические положения базируются на научных положениях и законах физики, химии, химической термодинамики, физико-химической механики материалов, теории трения и износа материалов, теории резания, теории вероятностей и математической статистики. В экспериментальных исследованиях контактных физико-химических процессов использованы современные методы микрорентгеноспектрального, рент-геноструктурного и спектрального анализов, электронографии и металлографии, электронной микроскопии. Качество шлифованной поверхности оценивали по результатам испытаний на долговечность специальных образцов и реальных деталей, остаточным напряжениям первого рода, микротвердости и шероховатости поверхности.
Достоверность теоретических положений, экспериментальных исследований и практических рекомендаций подтверждены обширными результатами производственных испытаний, внедрением режимов шлифования, абразивных инструментов и СОТС.
Научная новизна. Впервые исследован и описан механизм шлифования большой группы химически чистых металлов (титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, железо, кобальт, никель), как единого класса d-переходных элементов, отличающихся электронным строением атомов, что позволило получить следующие новые научные результаты:
- разработаны теоретические положения контактного взаимодействия
d-переходных металлов с абразивным материалом на основе модели конфи
гурационной локализации валентных электронов, механо-физико-химических
процессов, протекающих в зоне резания, и количественный критерий интен
сивности этого взаимодействия при шлифовании;
доказано, что обрабатываемость шлифованием, как технологическое свойство материи, оцениваемое некоторым набором оригинальных и известных показателей, подчиняется фундаментальному физігческому закону периодической зависимости свойств от заряда атомов элементов;
разработана теоретико-вероятностная модель формирования рабочей поверхности абразивного инструмента в результате взаимодействия зерен
с обрабатываемым металлом, учитывающая вероятности различных видов изнашивания, переходные вероятности изменения состояния вершин зерен и электронное строение атомов d-переходных металлов;
доказано, что определяющее влияние на изнашивание инструмента и качество обработанной поверхности при шлифовании адгезионно-активных металлов и сплавов оказывает интенсивность их контактного взаимодействия с абразивным материалом, научно обосновано основное направление повышения эффективности шлифования, заключающееся в блокировании этого взаимодействия;
разработан способ выбора химических соединений в качестве наполнителей абразивного инструмента для шлифования адгезионно-активных d-переходных металлов н сплавов по значению изобарно-изотермнческого потенциала первичной химической реакции с обрабатываемым металлом или основой сплава.
Практическая ценность работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны: способ выбора оптимальных условий шлифования адгезионно-активных металлов (а.с. 851501), шлифовальные круги с флюоритосодержащими наполнителями (а.с. № 810471, патент № 1802790), высокопористые без порообразователя (а.с. Nz 1742058), СОТС (а.с. № 810780) и практические рекомендации по шлифованию металлов и сплавов на основе адгезионно-активных d-переходных металлов. Изданы массовым тиражом методические рекомендации по шлифованию титановых сплавов и переданы 50 ведущим машиностроительным предприятиям.
Реализация результатов работы. Рецептура шлифовальных кругов с флгооритовыми наполнителями внедрена на двух предприятиях; разработанные и рекомендуемые абразивные инструменты, СОТС, режимы обработки внедрены на восьми предприятиях при шлифовании, в том числе глубинном, сплавов на основе титана и ниобия.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на Международных научно-технических конференциях и семинарах: «Шлифование, абразивные инструменты и материалы (Интергринд-91)» (Ленинград, 1991), «Высокие технологии в машиностроении (Интерпартнер)» (Харьков, 1997, 1998), «Проблемы управления точностью автоматизированных производств» (Пенза, 1996,1997, 1998), «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы (Шлифабразив)» (Волжский, 1998, 1999); Всесоюзішіх конференциях: «Технологическое управление качеством обработки и эксплуатационными свойствами деталей машин» (Киев, 1980), «Теплофизика технологических процессов» (Волгоград, 1980), «Прогрессивные процессы абразивно-алмазной обработки, инструмент и его эксплуатация (Шлифование-82)» (Волжский, 1982); республиканских конференциях и семинарах: «Высокопроизводительная механическая обработка деталей машин и приборов» (Киев, 1976, 1977), «Прогрессивные методы абразивной обработки» (Ленинград,
1978), «Оптимизация процессов алмазно-абразивной обработки» (Волгоград, 1986), «Опыт применения СОТС при механической обработке деталей» (Москва, 1996); научных семинарах Волжск-НИИАШ (1974-1994); научн.-техн. конф. Волгоградского государственного технического университета (1984-1990), Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии (1995-1999), научных семинарах кафедр: «Машиностроение» Севастопольского государственного технического университета (1999), «Технология машиностроения» Волгоградского государственного технического университета (2000), «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» Ульяновского государственного технического университета (2000), «Технология обработки и производства материалов» и «Проектирование и технология производства средств механизации» Волжского инженерно-строительного института ВолгГАСА (2000), «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в приборе- и машиностроении» Саратовского государственного технического университета (2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 68 печатных работ, в том числе одна монография, методические рекомендации по шлифованию титановых сплавов, б авторских свидетельств, 1 патент на изобретение, 2 заявки на выдачу патента РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, списка литературы (258 наименований), приложений, содержит 388 страниц машинописного текста, 83 рисунка, 39 таблиц.
Физико-химические процессы при шлифовании металлов
Обработку металла шлифованием первоначально рассматривали как механический процесс. Поэтому при выборе абразивного материала для шлифования металлов руководствовались следующим основным положением: вязкие металлы необходимо обрабатывать вязким абразивным материалом, хрупкие - хрупким [60]. Основными видами изнашивания абразивных зерен считали [41, 106]: истирание вершины зерна с образованием площадок с большей или меньшей шероховатостью; расщепление зерна с отделением от него небольших частиц; разрушение зерна с отрывом крупных частиц, соизмеримых с размером зерна; вырывание целого зерна.
С появлением новых марок высоколегированных сталей, никелевых, титановых, кобальтовых и молибденовых сплавов существующих представлений о механизме изнашивания стало недостаточно. На основании многочисленных исследований изнашивания абразивных материалов при микроцарапании и шлифовании различных металлов Т.Н. Лоладзе и Г.В. Бокучава выделяют три вида износа: адгезионно-усталостный, абразивный и диффузионный [25-27, 101-103]. Суть адгезионного износа состоит в том, что при контактировании поверхностей зерна и металла происходит схватывание (адгезия) разноименных материалов. При скольжении одной поверхности по другой наблюдается непрерывное возникновение и срезание адгезионных пятен, что приводит при многократном воздействии к усталостному разрушению поверхности зерна. Это наиболее распространенный вид износа, который во многом зависит от интенсивности адгезии и микропрочности контактных слоев абразивного материала. Адгезионный износ наблюдается, например, при шлифовании титана кругами из карбида кремния. Абразивный износ происходит в том случае, когда твердые включения обрабатываемого материала производят микросрезы на поверхности зерна. В общем случае интенсивность абразивного износа характеризуется температурной зависимостью твердости абразивного материала. При низких скоростях резания вероятность абразивного износа невысока. С увеличением скорости резания, в результате сильного нагрева контак-тируемой поверхности абразивного материала и меньшего нагрева обрабатываемого материала, твердость последнего, особенно при наличии особо твердых микровключений, может приблизиться или даже превысить твердость абразивного материала. Царапины на задней поверхности зерен - свидетельство абразивного износа. В результате диффузионного износа происходит растворение абразивного материала в обрабатываемом металле. Основные причины диффузионного износа: химическое сродство между материалами, высокая температура шлифования и контактирование ювенильных поверхностей.
При шлифовании кобальта, никеля и стали алмазными кругами, стали - кругами из карбида кремния, а титана - кругами из электрокорунда в определенных условиях диффузионный износ является преобладающим, о чем свидетельствуют гладкие, отполированные площадки износа абразивных зерен. Авторами предложено уравнение стойкости абразивного инструмента для чисто диффузионного износа [101].
При шлифовании алмазными кругами стали 40Х и никеля на скорости более 20 м/с экспериментальные и расчетные значения показали удовлетворительное совпадение. На скорости 6 м/с расчетная стойкость оказалась значительно выше экспериментальной, что объясняется комбинированным видом износа (адгезионно-усталостный и диффузионный).
В некоторой степени экспериментальным доказательством возможности диффузионных процессов могут быть результаты, полученные при моделировании процесса резания [102]. Диск из армко железа нагревали до температуры 1500-1600 К, т. е. искусственно создавали температурные условия, соответствующие шлифованию. После нагрева в диск внедряли алмазное зерно и вращением диска производили снятие стружки. Во избежание окисления армко железа и алмазного индентора опыты проводили в вакууме. С помощью металлографических исследований поперечного сечения канавки было установлено проникновение углерода на глубину около 0,17 мм.
В научной дискуссии по впервые выдвинутой теории диффузионного износа абразивного инструмента приняли участие В.Н. Маслов, В.И. Маламед [105], В.И. Островский [150], К.В. Савицкий, В.Н. Кащеев, М.А. Илюшенков [163].
Анализ этих статей показывает, что, «несмотря на определеную приближенность подсчетов, вследствие сделанных допущений, работа Т.Н. Лоладзе и Г.В. Бокучава представляет собой принципиально ценное исследование, так как знаменует собой новый и физически интересный подход к изучению процесса изнашивания» [163]. Выдвинутые Т.Н. Лоладзе и Г.В. Бокучава теоретические положения о возможности протекания диффузионных процессов при шлифовании явились основанием для проведения экспериментальных работ в этом направлении.
Первые отечественные экспериментальные исследования по определению количества абразивного материала, перенесенного на шлифованную поверхность в результате адгезионного и диффузионного взаимодействия, были опубликованы в 1967 году [151, 178]. В.И. Островский использовал метод спектрального анализа с послойным стравливанием металла [151]. Г.И. Саютин применил метод локального микрорентгеноспектрально-го анализа [178], который получил дальнейшее распространение в наших работах [7, 24, 123, 126, 138, 182, 184, 185].
Проведенные работы послужили основой для создания нового научного направления в исследованиях микрохимических изменений в поверхностных слоях обрабатываемого металла и абразивного материала.
Существенное влияние на износ абразивного инструмента оказывают химические реакции, которые протекают в зоне шлифования между абразивным, обрабатываемым материалом и средой. Особенно высока вероятность протекания химических реакций при шлифовании химически активных металлов, к числу которых принадлежит, в частности, титан.
Впервые такая особенность изнашивания абразивных зерен при шлифовании титановых сплавов отмечена в работах [189, 190, 257]. Если при шлифовании сплавов на основе железа потеря режущей способности абразивного инструмента происходит в результате образования площадок износа на вершинах зерен, то при шлифовании титановых сплавов в результате налипания металла на вершины зерен. Наиболее интенсивное налипание происходит при шлифовании кругами из электрокорунда, менее интенсивное - кругами из карбида кремния. После снятия налипшего металла поверхность изношенного электрокорундового зерна имеет изъеденные места, как будто она подвергалась травлению. Это позволило сделать предположение, что при шлифовании титановых сплавов наблюдается новое явление, состоящее, видимо, в химическом взаимодействии шлифуемого материала и материала абразивного круга. Гипотеза о возможности протекания химических реакций между абразивным материалом и металлом развивается в работах L.P. Tarasov [256], М.С. Show, СТ. Jang [252]. Авторы отмечают, что титан весьма активен во взаимодействии со сложными соединениями, содержащими азот, кислород, углерод. Поэтому вполне вероятно протекание химических реакций между титаном и абразивным материалом, в частности, реакций разложения. Значительному повышению химической активности титана, следовательно, увеличению износа абразивного материала способствует высокая температура шлифования и непрерывное образование ювенильных поверхностей металла.
Химические процессы, как причина изнашивания абразивного материала, обнаруженные при шлифовании титана, вообще не являются новым положением. Впервые об изнашивании, как следствии химического взаимодействия, заговорили с появлением абразивного материала карбида бора. По своей твердости карбид бора превосходил корунд и карбид кремния. Тем не менее, шлифовальные круги из карбида бора быстро изнашивались и поэтому, как материал для абразивных кругов, карбид бора распространения не получил. Полагают, что под действием высоких температур карбид бора способен вступить в химическое взаимодействие с кислородом воздуха. В результате реакции окисления происходит обезуглероживание поверхностных слоев материала и изменение их свойств [29]. В более поздних исследованиях показано, что при температуре 700-750 С карбид бора легко окисляется кислородом и тем интенсивнее, чем больше его дисперсность [73, 118].
Основные закономерности распределения кремния на шлифованной поверхности
Исследование основных закономерностей распределения кремния на поверхности металла после шлифования кругом из карбида кремния выполнено при обработке сплавов на основе титана ВТ22 и ВТЗ-1 в сравнении с технически чистым железом (армко-железо). Химический состав и некоторые механические свойства обрабатываемых металлов приведены в табл. 3.1 и 3.2.
Титан, как показано в разделе 2, обладает достаточно высокой адгезионной, диффузионной и химической активностью во взаимодействии с карбидом кремния. При прочих равных условиях, по крайней мере, адгезионная и химическая активность железа к карбиду кремния значительно ниже, чем титана. Различие в активности физико-химического взаимодействия металлов с абразивным материалом должно сказаться на величине суммарного переноса кремния.
Металлы обрабатывали на плоскошлифовальном станке мод. 3711 кругом характеристики 63С25С1Б без применения СОЖ. Режимы шлифования: скорость круга VK = 30 м/с, скорость стола Уи = 12 м/мин, глубина шлифования t = 0,01 мм/дв. ход. Распределение кремния на поверхности металлов после шлифования и в исходном состоянии представлено на рис. 3.2 и табл. 3.3.
Распределение кремния по поверхности металлов подчиняется нормальному закону (табл.3.4). После шлифования неравномерность содержания кремния в отдельных микрообъемах поверхности существенно возрастает. Это доказывается сравнением дисперсий выборок измерений (значения дисперсий приведены в табл. 3.3). Например, отношение дисперсий выборок для сплава ВТЗ-1 после шлифования S шл и в исходном материале S исх равно
Увеличение нестабильности содержания кремния в отдельных микрообъемах сплава в результате переноса его из абразивного материала наблюдалось и при изучении распределения кремния по глубине образца (рис. 3.3). Об этом свидетельствует сравнение дисперсий выборок измерений, попавших в диапазон 0...8 мкм (S і) и более 8 мкм (S 2)-Расчетное значение критерия S \I S 2 = 7,2 больше значения теоретического распределения Фишера F (0,95-55-15)=2,2.
Таким образом, увеличение нестабильности содержания кремния в отдельных микрообъемах металла после шлифования нельзя считать случайным явлением.
При измерении содержания кремния в исходном материале разброс значений определяется, в основном, погрешностями прибора и нестабильностью содержания кремния в исходном материале. После шлифования добавлйется нестабильность от насыщения кремнием в результате взаимодействия абразивного материала с металлом. Каждое зерно круга работает в своих особых условиях: различная глубина микроцарапания, радиус режущей кромки, угол наклона передней грани, величина площадки износа, определяющие температурный и силовой режимы работы зерна, следовательно, интенсивность адгезионного, диффузионного и химического взаимодействия. Кроме того, на зерне периодически образуется налип металла, с течением времени происходит модифицирование исходной поверхности зерна, что также сказывается на эффекте переноса. В итоге интенсивность суммарного содержания кремния в отдельных микрообъемах шлифованной поверхности изменяется практически от 0 до некоторого максимума, который для сплава ВТ22 достигает 3 %.
Наглядное представление о характере распределения кремния дают фотографии поверхности сплава ВТ22, сделанные в рентгеновском излучении на аппарате Camebax (рис 3.4).
Дискретное распределение кремния на шлифованной поверхности требует дифференцированного анализа фазово-структурного состояния материала в этих участках. В отличие от исследований, выполненных ранее, данные, полученные методом локального микроспектрального анализа, позволяют классифицировать участки шлифованной поверхности в зависимости от содержания кремния.
Например, на обработанной поверхности сплава ВТ22 встречаются участки с содержанием кремния 0,03 ... 0,19 %, т.е. с интервалом варьирования концентраций в исходном сплаве. Эти зоны практически не подвержены насыщению кремнием.
В соответствии с диаграммой состояния титан-кремний необходимо выделить микрообъемы с содержанием кремния до предела растворимости (около 1,4%) [204]. На долю этих участков приходится около 20 % шлифованной поверхности. В третью разновидность попадают микрообъемы с содержанием кремния выше предела растворимости, где кремний входит в состав силицидов титана различного стехиометрического состава.
Термодинамические расчеты подтверждают возможность химических реакций карбида кремния с титаном и образования кремния в атомарном виде, который в последующем диффундирует в поверхность обрабатываемого металла. Данная реакция является наиболее термодинамически вероятной. О предпочтительности реакции с образованием свободного кремния и карбида титана свидетельствует и анализ, сделанный на основе модели конфигурационной локализации валентных электронов. Эту реакцию можно считать первичной. Далее свободный кремний при содержании его выше предела растворимости реагирует с титаном, образуя силициды.
Кремний на шлифованной поверхности содержится и в кристаллах карбида кремния, перенесенных в результате адгезионного взаимодействия и механического вдавливания продуктов износа зерна в обрабатываемый металл.
Электроннографические исследования шлифованной поверхности подтверждают наличие кристаллов карбида кремния. Фотографии кикучи-линий, полученные с отдельных участков поверхности, свидетельствуют о наличии карбида кремния. По кикучи-линиям невозможно сделать достаточно точное заключение о структуре соединений, однако, осколки частиц монокристаллов карбида кремния в данном случае установлены.
Таким образом, на шлифованной поверхности концентрация кремния колеблется в пределах, соответствующих его содержанию в растворе, силицидах титана и карбиде кремния.
Прирост кремния на поверхности титанового сплава ВТЗ-1 в 8 раз, а сплава ВТ22 в 13 раз больше, чем на поверхности армко-железа.
Изменение концентрации кремния является следствием физико-химического взаимодействия абразивного материла с металлом. Чем больше прирост концентрации кремния на поверхности металла, тем выше интенсивность взаимодействия контактирующих материалов. Следовательно, интенсивность механо-физико-химического взаимодействия карбида кремния с титановым сплавом при шлифовании значительно выше, чем с армко-железом.
Это положение подтверждается оценкой, по крайней мере, двух составляющих суммарного переноса - адгезионной и диффузионной. Как было показано в разделе 2.4, интенсивность адгезионного взаимодействия титана с карбидом кремния выше, чем железа при микроцарапаньи металлов индентором из карбида кремния. Такая же закономерность получена на высокоскоростных режимах трения и шлифования металлов, соответственно, инденторами и кругами из карбида кремния [23,72].
Коэффициент диффузии кремния в титан в температурном интервале (1300-1500) К выше, чем железо [187]. Например, для температуры 1300 К: D(Si Ti) -1,2-10 12м/с, D(Si Fe) -1,2 Ю 3м/с . На диффузионный перенос кремния в обрабатываемый металл существенное влияние будут оказывать химические реакции, в результате которых может образоваться свободный кремний, обладающий более высокой диффузионной подвижностью, чем связанный. Образование свободного кремния возможно по реакции: SiC + 1/пМе = 1/пМеСп + Si.
Термодинамический анализ вероятности протекания данной реакции, выполненной, в разделе 2.2, показал, что в интервале температур (300-2000) К изобарно-изотермический потенциал реакции карбида кремния с титаном значительно меньше, чем реакции карбида кремния с железом. Исходя из этого, следует ожидать, что при контактировании абразивного материала с титановым сплавом на поверхности зерна образуется большее количество свободного кремния, чем при контактировании с железом.
Возможность осуществления такой реакции доказывается исследованиями Н.И. Богомолова и Г.И. Саютина с сотрудниками [75]. В отдельных микрообъемах площадки износа карбида кремния после микроцарапания титана обнаружен чистый кремний.
Чистый кремний может образовываться также в результате термического разложения SiC. Но как показывает термодинамический анализ, вероятность протекания реакции SiC — Si+ С в интервале температур до 2000 К значительно меньше, чем реакции SiC + Ті -» ТІС+ Si (AZT реакции разложения при температуре 1000 К равен приблизительно +20 кДж/моль).
Износ круга
Зависимость удельного износа круга при шлифовании d-переходных металлов от числа валентных электронов показана на рис. 5.9. В каждом периоде с увеличением количества валентных электронов удельный износ круга возрастает при переходе от металлов IVB к металлам VB подгруппы и снижается к металлам подгруппы VIB. С увеличением главного квантового числа q уменьшается в 1VB подгруппе и увеличивается в подгруппах VB и VIB. Таким образом, износ круга при шлифовании d-переходных металлов находится в периодической зависимости от числа валентных электронов [141].
Сопоставление результатов экспериментальных исследований, представленных на рис. 5.6,а и 5.9, показывает, что для металлов IVB и VB подгрупп наблюдается одинаковый характер изменения q и АК в подгруппах: в подгруппе IVB износ круга и содержание кремния на поверхности металла уменьшаются с увеличением главного квантового числа валентных электронов, а в подгруппе VB - увеличиваются. Таким образом, при шлифовании адгезионно-активных металлов в подгруппах износ круга уменьшается с уменьшением содержания кремния на шлифованной поверхности или с уменьшением суммарной интенсивности механо-физико-химического взаиомодействия пары абразив-металл.
На основании этого вполне можно предположить, что для адгезионно-активных d-переходных металлов IVB и VB подгрупп интенсивность контактного взаимодействия пары абразив-металл при шлифовании может быть определяющим фактором в износе абразивного инструмента.
Для доказательства этого положения исследована взаимосвязь между износом круга и количеством переносимого кремния при шлифовании в различных условиях d-переходньгх металлов IVB и VB подгрупп [137,140]. Результаты исследований представлены в таблице 5.3, а графическая зависимость - нарис. 5.10.
Экспериментальные данные убедительно свидетельствуют о взаимосвязи износа круга с критерием АК, характеризующим интенсивность механо-физико-химического взаимодействия пары абразив-металл при шлифовании. Исследуемая зависимость достаточно хорошо аппроксимируется показательной функцией: д = аАК", (5.2) где а я в - коэффициенты, зависящие от обрабатываемого материала. Значения коэффициентов для различных обрабатываемых металлов при твердости круга Сі приведены в таблице 5.4.
Таким образом, интенсивность механо-физико-химического взаимодействия d-переходных металлов IVB и VB подгрупп с абразивным материалом является определяющим фактором в износе абразивного инструмента.
У металлов VIB подгруппы наблюдается обратная зависимость удельного износа круга и количества переносимого кремния от главного квантового числа валентных электронов, с ростом которого АК - уменьшается, a q — увеличивается. С ростом главного квантового числа увеличивается атомная стабильность электронной конфигурации, соответственно уменьшается склонность атомов к различного рода взаимодействиям. Поэтому в направлении от хрома к вольфраму уменьшается коэффициент трения карбида кремния по металлам при склерометрировании [134] и перенос кремния при шлифовании металлов кругом из карбида кремния. Но данный фактор, как показывают эксперименты, не будет определять изнашивание крута. Адгезионные процессы при шлифовании металлов VIB подгруппы практически не развиваются, о чем убедительно свидетельствуют оптические и электронно-микроскопические исследования состояния площадок износа зерен и обработанной поверхности металлов. Например, рельеф и субмикрорельеф поверхности металлов VIB подгруппы после шлифования достаточно чистый и совершенно не сопоставим с металлами VIB и VB подгрупп (см. рис. 5.12).
Таким образом, при шлифовании металлов VIB подгруппы физико-химическое взаимодействие зерна с металлом не является определяющим фактором в изнашивании абразивного материала.
По нашему мнению, при шлифовании данных металлов на изнашивание инструмента существенное влияние оказывает связующая стабильность электронной конфигурации, контролирующая силы сцепления атомов в конденсированном состоянии. В качестве примера можно взять предел прочности металлов на разрыв ов. В нормальных условиях (7В хрома, молибдена и вольфрама равен соответственно 380, 560 и 1470 МПа.
Для подгруппы титана и ванадия сгв колеблется соответственно в пределах 250-440 МПа и 250-500 МПа [187]. Почти четырехкратное увеличение прочности металлов VIB подгруппы будет существенно увеличивать энергетические затраты на разрушение металла, что неизбежно приведет к увеличению износа инструмента при шлифовании с увеличением главного квантового числа валентных электронов атомов металлов в подгруппе.
С переходом от последнего элемента первой половины периода хрома к первому элементу подгруппы VIIIB второй половины периода железу удельный износ круга уменьшается (рис.5.9) при одинаковом значении АК (см. рис. 5.6, а).
Атомы хрома в четвертом периоде имеют самую высокую стабильность электронной конфигурации, что определяет самые большие силы сцепления между атомами в данном периоде. С переходом от хрома к железу, в связи с уменьшением количества неспаренных электронов, связующая стабильной электронной конфигурации железа значительно снижается. По этой причине почти в два раза уменьшается микротвердость и на 35% предел прочности на разрыв ав, а при температуре 600С ств железа более чем в 4 раза ниже ав хрома. При незначительном адгезионном взаимодействии связующая стабильность электронной конфигурации, контролирующая силы связи атомов, определяет износ абразивного материала.
У кобальта связующая стабильность электронной конфигурации будет ниже, чем у железа, так как СВАСК d3 железа выше (см.рис.2.1). При этом уменьшается склонность атомов кобальта к участию в различного рода взаимодействиях в связи с ростом СВАСК d , который определяет для элементов второй половины периода атомную стабильность электронных конфигураций. Уменьшение связующей и повышение атомной стабильности электронной конфигурации кобальта способствует снижению износа абразивного инструмента.
При шлифовании никеля q выше, чем у кобальта и железа. Хотя общая тенденция поведения никеля должна быть такой же, как у кобальта по отношению к железу: атомная стабильность повышается, а связующая падает, что должно способствовать уменьшению износа инструмента. В данном случае проявляется уже неоднократно отмеченный у никеля эффект объемной и термической дестабилизации электронной структуры атома металла, имеющего в исходном состоянии высокий СВАСК d10. Высокая температура (пиковое значение приближается к температуре плавления металла) и интенсивные деформационные процессы в результате d— s - возбуждения стабильных d -состояний уменьшают СВАСК d , что активизирует электронную структуру атома никеля. В связи с этим усиливается адгезионное взаимодействие никеля с карбидом кремния, возрастают сила трения, сила шлифования и износ круга.
Влияние интенсивности взаимодействия сплава с абразивным материалом на износ круга и качество обработанной поверхности
При шлифовании адгезионно-активных d-переходных металлов интенсивность контактного взаимодействия пары абразив-металл оказывает определяющее влияние на износ абразивного инструмента. Исходя из этого, можно предположить, что при обработке сплавов на основе адгезионно-активных металлов контактное взаимодействие также должно оказывать существенное влияние на выходные показатели шлифования и, в частности, на износ круга.
Для этого исследована связь между удельным износом инструмента и интенсивностью физико-химического взаимодействия, определяемой по приросту концентрации кремния на поверхности металла, в различных условиях шлифования [125]. Эксперименты выполнены при шлифовании кругами из карбида кремния зернистости 25 твердости С1 на бакелитовой связке. Значения q и ДК приведены в табл. 7.2.
Анализ представленной таблицы убедительно свидетельствует о наличии связи между q и АК, которая графически представлена на рис.7.1. Математической обработкой полученных результатов установлено, что удельный износ круга и критерий оценки интенсивности взаимодействия связаны следующей корреляционной зависимостью: q = 3,12AK2 6; г-= 0,97; S2H = 0,0105.
Установленной закономерности не подчиняются результаты исследования, полученные при шлифовании кругами различной твердости. Как следует из рис. 3.5 и 3.6, с уменьшением твердости круга от С1 до М2 интенсивность механо-физико-химического взаимодействия абразивного материала с металлом уменьшается, а удельный износ инструмента возрастает почти в 5 раз: с q=l,5 до q=4,7. В данном случае основной причиной износа является выкрашивание зерен, так как с уменьшением твердости инструмента снижаются силы, удерживающие зерно в круге.
Таким образом, при шлифовании кругом одной твердости интенсивность механо-физико-химического взаимодействия абразивного материала с металлом является определяющим фактором в износе. С уменьшением интенсивности взаимодействия износ инструмента снижается.
Анализ табл. 7.2 показывает, что наиболее эффективным способом снижения взаимодействия является применение специальных смазочно-охлаждающих жидкостей. Наилучшие результаты из всех исследованных СОЖ получены с охлаждением 4 % раствором натрия фосфорнокислого трехзамещенного. При шлифовании титанового сплава ВТ22 на режимах VK= 30 м/с, V„=0,2 м/с, t=10": м/дв.х. прирост концентрации кремния на поверхности металла АК снижается до 0,13 мае. %, удельный износ круга q достигает 0,68; при шлифовании на режимах VK= 30 м/с, V„= 0,2 м/с, t=5xl0"6 м/дв.х., АК = 0,08 мае. %, q = 43. Для сплава ВТЗ-1 при шлифовании на режимах VK =30 v/c, VH=0,2 м/с, t=5xl0 " м/ дв. х. прирост концентрации кремния снижается до 0,07 мае. %.
Содержание кремния на поверхности титановых сплавов ВТ22 и ВТЗ-1 при шлифовании на режимах VK= 30 м/с, V„= 0,2 м/ с, t=5xl0 м/дв.х. показано на рис. 7.2. Распределение кремния в поверхности металлов приближается к распределению элемента в
Среда, вводимая в зону шлифования, оказывает существенное влияние и на диффузионное взаимодействие абразивного материала с металлом, о чем свидетельствуют результаты исследования распределения кремния по глубине образца (рис. 7.3).
Дисперсионным анализом представленного объема выборки измерений не установлено изменение концентрации кремния по глубине (расчетное значение критерия 1,13; значение теоретического распределения Пирсона 3,00).
Следовательно, при шлифовании с охлаждением специальными СОЖ диффузионное насыщение кремнием значительно меньше, чем при шлифовании без СОЖ.
Исследовано влияние интенсивности взаимодействия пары абразив-металл, оцениваемой по количеству переносимого кремния на шероховатость поверхности (рис.7.4). Установлено, что с уменьшением ЛК снижается параметр Ra : Ra = 0,84 + 2,43ЛК, г = 0,92 . (7.3)
Как будет показано ниже, с уменьшением интенсивности взаимодействия снижаются величина и глубина залегания остаточных напряжений, улучшается состояние рельефа и субмикрорельефа обработанной поверхности.
Исходя из этого, разработан способ выбора оптимальных условий шлифования, где в качестве критеория оптимальности принимают концентрацию химических элементов, переносимых из абразивного инструмента на обработанную поверхность [7].