Диффузионное изнашивание

Исследования, проведенные проф. Т.Н. Лоладзе, Н.Ф. Казаковым, Н.В. Талантовым и другими исследователями, показали, что интенсивность износа твердосплавного инструмента может происходить из-за вза­имной диффузии инструментального и обрабатываемого материалов, т.е. при высоких температурах (более 800 °С) происходит диффузион­ное растворение инструментального материала в обрабатываемом. Резкое увеличение абсолютного и относительного износов при температурах резания выше 800…850 °С позволило проф. Т.Н. Лоладзе выдвинуть гипотезу существования диффузионного изнашивания. По этой гипотезе изнашивание инстру­мента при температурах выше 800…850 °С происходит в результате диффу­зионного растворения инструментального материала в обрабатываемом. Исследования диффузии в твердых телах показали, что в металлах способны диффундировать те элементы, которые в них раст­воряются.

Следует иметь в виду, что диффузионный износ зависит не толь­ко от непосредственного переноса атомов инструментального материала в деталь и стружку. При диффузионном износе происходит также разрушение контактных слоев инструмента, ослабленных диф­фузионными процессами, происходящими в этих слоях (включая фазовые превращения, разупрочнение и пр.). Следовательно, имеют место два процесса (диффузионное растворение и разрушение ослабленной диффузионными процессами поверхности), которые конкури­руют в диффузионном износе.

Н

Рис. 103. Зависимость диф­фузионного износа от температуры в зоне резания

адо отметить, что интенсивность протекания диффузионных процессов заметно уменьшается при при­менении инструментальных материалов, химически инертных по от­ношению к обрабатываемому металлу, и увеличивается с ростом тем­пературы в зоне резания (рис. 103). Возможность протекания диффузионного процесса между инструментом и стружкой и деталью основывается на параболическом законе роста диффузионного слоя, по которому в начальный период диффузии скорость растворения чрезвычайно велика, после чего с течением времени эта скорость резко уменьшается. В процессе резания с контактными поверхностями инструмента вступают в соприкосновение все новые участки стружки и поверхности резания, в результате чего постоянно поддерживается весьма вы­сокая скорость растворения, свойственная начальному периоду диф­фузии.

Различные компоненты твердого сплава диффундируют в обра­батываемый материал с различной скоростью. Наиболее быстро диф­фундирует углерод, медленнее – вольфрам, кобальт и титан. В резуль­тате неодинаковой скорости растворения между инструментом, струж­кой и поверхностью резания образуется три диффузионных слоя. Наиболее удаленным от контактных поверхностей является науглероженный слой; под ним лежит слой белого цвета, представляющий собой твердый раствор углерода и вольфрама или углерода, вольфрама и титана в -железе. Третий слой является интерметал­лидом в виде железовольфрамового или более сложного карбида. Структурные превращения в этом слое, лежащем на границе раздела твердого сплава и обрабатываемого материала, происходят в результате обеднения контактных поверхностей инструмента угле­родом и диффузии в твердый сплав железа из обрабатываемого ма­териала.

По сравнению с основным массивом твердого сплава третий слой является более хрупким и разупрочненным, что приводит к срезу с контактных поверхностей инструмента слоев инструментального материала движу­щимися стружкой и поверхностью резания. Таким образом, в общем случае изнашивание твердосплавного инструмента происходит вслед­ствие собственно диффузионного растворения и диспергирования разупрочненных контактных поверхностей.

При резании инструментами из однокарбидных сплавов в изнаши­вании в той или иной степени участвуют оба указанных процесса. Изнашивание же инструментов из двухкарбидных сплавов происходит несколько иначе. Титановольфрамовые карбиды в обрабатывае­мом материале растворяются значительно медленнее, чем вольфрамо­вые. Поэтому на контактных поверхностях образуются выступы не полностью растворившихся зерен титановольфрамовых карбидов. Контактные слои стружки и поверхности резания заполняют обраба­тываемым материалом впадины между зернами, создавая очаги застоя, что увеличивает время диффузии и замедляет диффузионное растворе­ние. Поэтому при высоких скоростях (температурах) резания двух­карбидные сплавы имеют большую износостойкость, нежели однокар­бидные. При температурах же резания, при которых диффузионное растворение еще не происходит ( < 800 °С), износостойкость одно­карбидных твердых сплавов мало отличается от износостойкости двух­карбидных, а иногда и превосходит ее. Интенсивность протекания диффузионных процессов заметно уменьшается при применении инструментальных материалов, химически инертных по отношению к обрабатываемому материалу.