Адгезионное изнашивание

В процессе резания между инструментом и деталью имеются условия для образования адгезионного схватывания (адгезия – схватывание, слипание, сваривание). Для этого необходимо, чтобы поверхности были ювенильно чистыми и были приведе­ны в очень плотный контакт, т.е. чтобы начали действовать межмоле­кулярные силы. Таким образом, силы адгезии возникают как резуль­тат межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами.

Контактные поверхности стружки и передней грани резца не являются идеально гладкими, поэтому со­прикосновение между ними происходит лишь по выступающим участкам. Это вызывает огромные удельные нагрузки, разрушаю­щие защитные окисные пленки, в результате чего происходит «холодное сваривание» металла стружки и инструмента в местах истинного контакта. Это «сваривание» более вероятно при относи­тельно высокой температуре, способствующей местной пластиче­ской деформации и разрушению защитной пленки. При непре­рывном движении стружки по резцу в местах контакта возникают напряжения среза, и в результате на передней поверхности инстру­мента вырываются мельчайшие частицы металла. Возможность отрыва мягким обрабатываемым материалом частиц более твер­дого инструмента объясняют неоднородностью инструментального материала, имеющего на своей поверхности размягченные микро­участки, и изменением соотношения твердостей обрабатывае­мого и инструментального материалов в процессе резания при различных температурах резания.

Можно предположить, что подобный адгезионный износ происходит при обработке не только пластичных металлов, но и хрупких, например закаленной стали и чугуна. Иначе трудно объяснить износ теплостойкого твердосплавного инструмента только абразивным истиранием, поскольку закаленная сталь и цементит чугуна усту­пают по твердости карбидам вольфрама, титана или тантала, составляющим металлокерамические твердые сплавы.

Более глубокое исследование этого механизма изнашивания стало возможным благодаря применению микрорентгеноспектрального анализа и электроноскопии. На основании исследований, проведенных с рядом чистых металлов, установлено, что схватывание металлов, т.е. появление прочных временных соединений между соприкасающимися поверхностями, образуется в твердом состоянии в результате совместного пластического деформирования химически чистых находящихся в контакте поверхностей и может быть получено как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах. Для наступления схватывания недоста­точно только сближения поверхностей на расстояние порядка пара­метра кристаллической решетки, а необходимо превышение определен­ного для каждой пары материалов энергетического порога. Схватыва­ние есть бездиффузионный процесс, близкий к мартенситному или полиморфному превращению. Необходимое для схватывания энерге­тическое состояние может достигаться как за счет повышения темпера­туры, так и зa cчeт coвмеcтнoго плacтичecкo деформирования. Способ­ность материалов к адгезионному взаимодействию резко повышается при температурах, близких к температуре рекристаллизации. При контакте одноименных материалов схватывание начинается при тем­пературах, равных (0,3…0,4)Т_пл (температуры плавления), а при контакте разноименных – при температурах, равных (0,35…0,5)Т_пл. При очень высоких темпе­ратурах термически активируемая адгезия по природе отличается от адгезии при низких температурах и характеризуется способностью контактируемых материалов к спеканию. Прочность адгезионных связей оценивают коэффициентом адгезии, представляющим собой отношение силы, необходимой для разделения контактируемых поверх­ностей, к величине действующей нагрузки.

В процессе резания между инструментом и деталью имеются усло­вия для образования адгезионного схватывания. Фактическая площадь контакта между контактными поверхностями инструмента, стружкой и поверхностью резания составляет незначительную часть от номиналь­ной площади контакта. Вследствие высоких контактных давлений в точках соприкосновения выступов фактических площадок контакта инструмента, стружки и поверхности резания развиваются локальные пластические деформации с высокой температурой. В результате этого происходит соприкосновение химически чистых участков обрабатывае­мого и инструментальных материалов и их взаимное схватывание с образованием очагов мостиков схватывания. При перемещении инструмента по детали происходит непрерывное разрушение и возоб­новление мостиков схватывания. Срез в зоне контакта двух металлических поверхностей может происходить различным образом. Если прочность «сваривания» меньше прочности самих металлов, то срез осуществляется по поверхности самого соединения; при этом количество металла, вырванного с обеих поверхностей, т.е. износ, незначительно. Когда соединение прочнее обоих металлов, срез, как правило, происходит в среде одного из них, менее проч­ного. Инструментальные материалы обычно тверже обрабатывае­мого и, очевидно, срез должен располагаться в толще обрабатываемого материала. Однако при этом возможны вырывы и частиц инструментального материала.

По мнению Н.Н. Зорева, пepиoдичecки пoвтopяющeecя cxвa­ты­вaниe и разрушение адгезионных соединений вызывает циклическое нагружение поверхностного слоя инструментального материала.

По сравнению с обрабатываемым материалом материал режущей части инструмента является более хрупким, и указанный характер нагружения приводит к его локальному разрушению. Вырванные с контактных поверхностей инструмента объемы инструментального материала уносятся стружкой и передней поверхностью, а на его контактных поверхностях образуются борозды и кратеры. Масса инструментального материала, удаляемого с кон­тактных поверхностей инструмента на единицу пути резания, зависит от прочности и твердости обрабатываемого материала. При прочих равных условиях, чем меньше отношение тем сильнее изнашивание инструмента.

Ч

Рис. 102. Зависимость интенсивности адгезионного износа h_а от температуры 

ем выше циклическая прочность и ниже хрупкость инструменталь­ного материала, тем выше его износостойкость при равной теплостойко­сти. Поэтому в зоне невысоких температур резания, когда теплостой­кость инструментального материала не имеет решающего значения, из­носостойкость твердых сплавов может быть ниже, чем износостойкость быстрорежущих сталей, имеющих более высокую прочность и луч­ше сопротивляю­щихся циклическим нагрузкам (рис. 102).

По интенсивности протекания адгезионного изнашивания инстру­ментальные материалы различно реагируют на изменение температуры резания. Относительный износ инструментов из быстрорежущих ста­лей, хорошо сопротивляющихся циклическим контактным нагрузкам, до температур 500 °С остается почти постоянным или уменьшается при увеличении температуры резания. При нагреве твердых сплавов их хрупкость уменьшается, что способст­вует повышению сопротивляе­мости контактным нагрузкам. Поэтому в интервале температур 500…750 °С повышение температуры резания уменьшает относитель­ный износ твердосплавного инст­румента.

Адгезионный износ инструмента можно уменьшить, применяя жидкости, создающие на контактных поверхностях защитные пленки, уменьшающие силы адгезии и препятствующие схватыванию обрабаты­ваемого и инструментального материалов. Например, применение химически активных жидкостей, образующих пленки химических соединений, при работе твердосплавными резцами в зоне малых и средних скоростей резания повышает время работы резцов до переточки. Этого нельзя сказать об инструментах из быстрорежущих сталей, так как химически активные жидкости, ослабляя адгезионные явления, одновременно способствуют усилению химического изнашивания кон­тактных поверхностей, связанного с химическим растворением мартенситной основы стали.