3.4.3. Диффузионное изнашивание

Резкое увеличение абсолютного и относительного износов при температурах резания выше 800 - 850 °С позволило 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. Возможность протекания диффузионного процесса между инструментом, 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 [5].

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.

При резании инструментами из однокарбидных сплавов в изнашивании в той или иной степени участвуют эти процессы. Изнашивание же инструментов из двухкарбидных сплавов происходит несколько по-другому. 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 (9<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.

3.4.4. Окислительное изнашивание

Гипотеза окислительного изнашивания основывается на известном факте коррозии твердых сплавов при нагреве их в среде кислорода и отсутствии изменения свойств поверхностных слоев сплавов при нагреве их в инертных газах (аргоне, азоте, гелии). Согласно этой гипотезе, при температурах резания 700 - 800 °С кислород воздуха вступает в химическую реакцию с кобальтовой фазой твердого сплава и карбидами вольфрама и титана, причем наиболее сильно окисляется кобальт. Вследствие значительной пористости металлокерамических твердых сплавов окислительным процессам подвергаются не только сами контактные поверхности инструмента, но и зерна твердого сплава, лежащие на некоторой глубине от этих поверхностей. Продуктами окисления кобальтовой фазы являются окислы Со₃О₄ и СоО и карбидов WO₃ и ТiО₂. Твердость продуктов окисления в 40-60 раз ниже твердости твердых сплавов. В результате значительного размягчения кобальтовой фазы нарушается монолитность сплава, и ослабляются связи между зернами карбидов вольфрама, титана и цементирующей связкой. Это создает благоприятные условия для выравнивания карбидных зерен силами трения, действующими на передней и задней поверхностях инструмента, и изнашивания этих поверхностей [10].

Склонность твердых сплавов к окислению определяется их химическим составом. Однокарбидные сплавы окисляются сильнее, нежели двухкарбидные. С увеличением содержания кобальта в твердом сплаве интенсивность и скорость окисления возрастают. Применение аргона, гелия, азота существенно уменьшает интенсивность изнашивания инструмента. Наиболее сильными защитными свойствами обладает гелий, затем аргон и азот. Опыты В.А. Жилина показали, что влияние газовой среды заметно только при температурах резания, не превышающих 900 °С. При более высоких температурах окислительные и защитные свойства газовых сред весьма мало влияют на интенсивность изнашивания, что свидетельствует о том, что в суммарном механизме изнашивания инструмента окислительные процессы имеют существенное значение только в интервале температур 700-900 °С. Оценивая достоверность различных гипотез изнашивания инструментов, следует отметить, что только абразивное и адгезионное изнашивание получило большее экспериментальное подтверждение.

Измерение скорости резания влияет на условия трения на контактных поверхностях инструмента, так как при этом изменяются скорость относительного перемещения трущихся поверхностей, температура резания, контактные напряжения, сила и коэффициент трения. Все это сказывается на характере и интенсивности изнашивания, а поэтому влияние скорости резания на относительный износ весьма сложно и выражается экстремальной формой.

Независимо от рода обрабатываемого и инструментального материалов, кривые, выражающие изменение износа, имеют точки минимума при определенных скоростях резания. При резании резцом из стали Р10М5К25, начиная от скорости резания v = 10 м/мин (θ = 505 °С), интенсивность нарастания изношенной массы непрерывно уменьшается, достигая минимума при v = 18 м/мин (θ = 505 °С). При дальнейшем увеличении скорости резания интенсивность нарастания изношенной массы непрерывно возрастает до полного затупления резца.

Установлено, что увеличение температуры резания по-разному влияет на износостойкость инструментальных материалов. Относительный износ резца из стали Р18, Р6М5 и других мало зависит от температуры резания, если она не превышает 550 °С. Дальнейшее, даже небольшое повышение температуры вызывает резкое возрастание относительного износа. Относительный износ резца из сплава ВК8 также почти не меняется при повышении температуры до 500 °С. Однако в отличие от быстрорежущей стали дальнейшее повышение температуры резания вызывает не рост относительного износа, а его уменьшение. И только при температурах, больших 750-800 °С, относительный износ начинает резко возрастать.

При температурах менее 500 °С износостойкость быстрорежущей стали Р6М5 выше, чем твердого сплава ВК8, хотя по теплостойкости быстрорежущая сталь значительно уступает сплаву ВК8. Повышенная износостойкость быстрорежущей стали в этом интервале температур объяснима более высокой ее прочностью и хорошей сопротивляемостью контактным циклическим нагрузкам.

Резкое возрастание интенсивности изнашивания быстрорежущих сталей при температурах, больших 500 °С, твердых сплавов при температурах, больших 750-800 °С, объясняется диффузионными процессами на контактных поверхностях инструментов и их интенсификацией вследствие высокой температуры, а также нарастанием термически активируемой адгезии.