книги из ГПНТБ / Гоголев, А. Я. Влияние антифрикционных покрытий на износ металлообрабатывающего инструмента

•скользящую поверхность. Применения пленок толщиной 5 мк вполне достаточно для обеспечения нормального процесса трения.

Строение кристаллической решетки MoS2 и его специфические •свойства, легкость скольжения слоев, высокое сопротивление сжа­ тию делают пригодным его для снижения трения между рабочими поверхностями инструментов и сходящей стружки.

Температура окисления MoS2 равна 150°С, при повышенной температуре на поверхности образуется четкий слои окиси, кото­ рая склеивает маленькие кусочки в одно целое и заполняет сво­

ности больше, поэтому он не нуждается в физической адсорбции для проявления смазочных свойств. Преимущества MoS2 проявля­

ностями в значительной мере зависит от шероховатости поверхно­ стен. При высоких давлениях шероховатость деформируется или сминается, в результате чего увеличивается истинная площадь контакта, а следовательно, силы адгезии между поверхностями.

MoS2 является не только хорошей смазкой. Образуя пластич­ ные пленки на поверхности металла под нагрузкой, он выравни­ вает поверхность, уменьшая истинные контактные давления в от­ дельных точках и улучшая отделку поверхности. Добавка неста­ бильных сульфидов к MoSo значительно повышает несущую спо­ собность слоя MoSo, нанесенного на поверхность металла. При этом отчетливо видно образование под слоем MoS2 сульфида же­ леза [3].

На антифрикционные свойства MoS2 отрицательно влияет вла­

единения с металлами, которые однако скорее вредят процессу об­ работки. Несколько иная картина наблюдается при применении фосфатов. Эвтектические фосфатные расплавы могут образовать­ ся в результате присадок щелочных тетраборатов соединений тя­

J0

ров существенно повышается в результате добавки некоторых со­ леи щелочных металлов и жирных кислот. Расплав, температура размягчения которого составляет около 300°С, соответствует эвтек­ тической смеси, находящейся в жидком состоянии при 500°С, од­ нако возможен подбор смеси с более высокой температурой плав­

и выше. Смазочный эффект после нанесения фосфатов может про­ являться сравнительно долго.

Инструмент, прошедший борирование, имеет поверхностный •слои с игольчатым строением: конуса боридов .вклинены в металл перпендикулярно поверхности. Срастаясь у поверхности, они об­ разуют сплошной слой боридов. В процессе борирования происхо­ дит обагащение итодслоя углеродом; т. е. бор вытесняет из поверх­ ностных слоев углерод. Слой состоит из двух боридов FeB и Fe2 B. Иглы боридов окружены тонким белым слоем, являющимся фер­ ритом. Твердость FeB равна 1900 кГ/мм2, Fe2B — 1800 кГ/мм~. Применение ультразвука улучшает процесс борирования. Имею­ щиеся в литературе [6] данные указывают на весьма высокую из­ носостойкость борированиых слоев в результате жидкостного бо­ рирования.

В основе действия смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ)" лежат два эффекта: уменьшение сил адгезии и трения на поверх­ ностях контакта режущего инструмента с обрабатываемым мате­ риалом вследствие образования адсорбированных пленок, а также пленок химических соединений и уменьшение температуры кон­ такта режущего инструмента с обрабатываемым материалом вследствие уменьшения тепловыделения и улучшения теплоотвода. При диффузионном износе, когда основным фактором, определяю­ щим интенсивность износа, является температура, главную роль играет охлаждающее действие СОЖ, т. е. уменьшение температу­ ры контакта инструмента с обрабатываемым материалом. При ад­ гезионном износе главную роль играет смазывающее действие СОЖ, т. е. уменьшение сил адгезии и трения на поверхностях кон­ такта инструмента с обрабатываемым материалом.

Для проявления смазочного действия СОЖ необходимо, чтобы жидкости или газы проникали на поверхность контакта и образо­ вывали бы там пленки, частично или полностью предотвращаю­ щие непосредственный контакт металлических поверхностей.

Физические пленки имеют относительно высокое сопротивле­ ние сдвигу, но хуже противостоят нормальному давлению. Кроме

11

же от скорости движения охлаждающей среды. Наилучшим сма­ зочным действием обладают химически активные жидкости, содер­ жащие соединения хлора, фосфора, серы, а также поверхностно активные жидкости, содержащие жирные кислоты и спирты [15]. Например, действие серных и хлорных добавок к СОЖ проявляет­ ся в том, что под действием высокой температуры сера и хлор вы­

прочно присоединяются к металлической поверхности, но разру­ шаются от больших давлений и температур, химические пленки, наоборот, выдерживают большие давления и температуру, но раз­ рушаются вследствие истирания.

Анализ существующих способов покрытий инструментов

Из технологических факторов, влияющих на стойкость инстру­ мента при резании, особое место занимает трение на рабочих по­ верхностях инструмента. Оно сопровождается нагревом инстру­ мента, что приводит к износу его. С повышением температуры ин­ тенсивность износа инструмента возрастает и по другой причине:

Н. Н. Зорев [40] и М. Ф. Полетика [38] придают фактору тре­ пня очень большое значение, так как он оказывает решающее влия­ ние па стойкость инструмента: с уменьшением, коэффициента тре­ ния стойкость инструмента возрастает.

Н. Н. Зорев указывает в частности [40], что самая незначитель­ ная смазка (например, вода) способна на длительное время сни­ зить коэффициент трения и предотвратить образование нароста на режущей кромке.

При обработке металлов резанием широко применяются те или иные виды смазок, которые подаются в зону резания в виде жид­ кости или тумана.

Однако жидкие и туманообразные смазки обладают рядом не­ достатков, одним из которых является трудность поддержания

V2

стабильной концентрации необходимого антифрикционного ве­ щества при подаче в зону резания [25]. Кроме того,, они требуют специального оборудования, загрязняют рабочие места и т. д.

От этих недостатков свободно покрытие инструментов тверды­ ми смазочными пленками. Способ покрытия инструментов твер­ дыми смазками основан как на упрочнении поверхностного слоя инструмента, так и на образовании прочной пленки, имеющей бо­ лее низкое сопротивление сдвигу, чем основной металл, что приво­ дит к уменьшению коэффициента трения между инструментом и стружкой.

Известно, что повышенная износостойкость многих инструмен­ тальных легированных сталей объясняется тем, что в них содер­ жатся карбиды хрома, обладающие повышенной прочностью.

Хромирование режущего инструмента позволяет увеличить его

зал существенное увеличение его стойкости при работе по стали и чугуну, а именно: сверл в 3 раза, разверток в 2,5—3,5 раза, мет­

Известно, что рабочие поверхности режущих инструментов ра­ ботают в условиях сухого и полусухого трения. Давления на по­ верхности трения достигают больших величин, превышающих пре­ дел прочности обрабатываемого материала. Температура на режу­ щих поверхностях может достигать для быстрорежущих инстру­ ментов 700—900°С, для твердосплавных 1000°С и выше, а коэффи­ циент трения стали по стали в этих условиях достигает 0,8—1,0. Хромирование позволяет значительно снизить коэффициент трения и облегчить работу инструмента. Однако оно дает эффект только на тех видах режущих инструментов, работа которых не сопро­ вождается выделением больших количеств тепла на режущих кромках, при сравнительно небольших скоростях, резамия и давле­ ниях, при температуре резания, не превышающей 500°С, т. е. не достигает предела, при котором начинается окисление хрома и •снижение его твердости, при этой температуре твердость хромиро­ ванного инструмента становится меньше твердости инструмента из быстрорежущей стали.

Это подтвердилось специально проведенными испытаниями при высокой скорости резания, сопровождавшейся высокими темпера­ турами, сверл диаметром 14 мм из стали Р18 и пластинок из ста­ ли У8, покрытых гальваническим путем слоем хрома толщиной 7 мкм по слою никеля толщиной 3 мкм. Пластинки из стали У8 про­ водили отжиг перед закалкой ' 750—760°С со скоростью 50° в час, •охлаждение в масле и низкий отпуск при температуре 180°С на воздухе. Твердость после отпуска была HRC 62-66 ед.

13

До покрытия сверла имели шероховатость поверхности V 7, а пластинки V 9, после покрытий соответственно V 9 и V Ю. При об­ работке стали 50 при скорости 30 м/мин, подаче 0,15 мм/об хроми­ рованные сверла после 8—33 просверленных отверстий пришли в неработоспособное состояние; температура при обработке достига­ ла 700°С. При обработке стали 50 со скоростью 48 м/мин, подачей

Эти испытания подтвердили [1], что хромирование можно при­ менять на инструментах, при обработке которыми температура до­ стигает 300—400°С (резьбовые, зуборезные, развертки и др.) и ко­ торые работают с малой толщиной среза при умеренных скоро­ стях. Такие методы повышения износостойкости применяются для инструментов в основном из быстрорежущей и углеродистой ин­ струментальной стали.

Из методов химико-термической обработки для упрочнения ин­ струментов применяется цианирование, которое сопровождается структурными превращениями, при этом увеличивается твердость поверхностных слоев с образованием остаточных напряжений сжа­ тия. Для упрочнения инструмента применяется низкотемператур­ ное цианирование. Оно особенно эффективно для быстрорежу­ щей стали.

Из других методов химико-термической обработки инструмента применяют алитирование (для работ при повышенных темпера­ турах); силицирование, которое дает высокую твердость, коррози­ онную стойкость и хорошую пластичность; сульфидироваиие, при котором создаются поверхностные слои, состоящие из химических соединений металла с серой; комбинированные методы, когда пос­ ле химико-термической обработки инструмент подвергается накле­ пу или другим упрочняющим методам.

С хорошей стороны зарекомендовало себя покрытие никельфосфор в узлах трения машин. Сплавы никель-фосфор обладают высокой твердостью, твердость их возрастает с увеличением со­ держания фосфора. Это покрытие может быть получено как элект­ рохимическим, так и химическим путем. Скорость осаждения спла­ ва никель-фосфор выше, чем хрома, а твердость покрытия не ус­ тупает хромовому.

Термообработка покрытия при температуре 350—400°С в тече­ ние 60 мин повышает микротвердость до 1-200—1300 кГ/мм2. Ни­ кель-фосфорное покрытие, подвергнутое термообработке, в отли­ чие от хромового, не меняет своей твердости при работе в услови­ ях повышенных температур. Дополнительное нанесение на фосфатированную поверхность пленки дисульфида молибдена значитель­ но увеличивает износостойкость. При этом коэффициент трения сталь по стали оказывается равным 0,035, в то время как без ди­ сульфида молибдена он имеет значение 0,35. Об этом говорят ре-

14

зультаты испытаний на трение и износ покрытий и пленок твердых смазок в условиях сухого трения на торцевых образцах полированной стали Р18 и стали 45 при давлении 150 кГ/смг и скорости

0,5 м/сек (табл. 1).

Эти результаты дают основания ожидать снижения сил трения, снижения температуры в зоне трения и повышения износостойко­ сти при обработке режущим инструментом с никел-фосфорным покрытием.

Твердую смазку можно применять с органическим и неоргани­ ческим пленкообразующим веществом. Для проверки в качестве твердой смазки был взят мелкодисперсный порошок дисульфида молибдена. Органическими пленкообразователями служили фенолформальдегидная и эпоксидная (горячего отверждения) смолы. Неорганическим плеикообразователем был силикат натрия. Для улучшения технологических свойств в массу добавляли раствори­ тель. Масса для покрытия приготовлялась в следующем соотноше­ нии: пленкообразователь 2—5 в. ч., твердая смазка — 100 в. ч., растворитель — 100 в. ч. Обращалось внимание на режим от­ верждения покрытий, который оказывает большое влияние на проч­ ность адгезии покрытия к инструменту. Испытания при сверлении показали повышение стойкости покрытых сверл по сравнению с непокрытыми. Так, при сверлении стали 1X18IT9T сверлами из стали Р18 одно из покрытых сверл обработало 218 отверстий, не­ покрытое — 158 отверстий, при обработке стали 50 до полного из­ носа сверло с покрытием просверлило 203 отверстия, без него—74.

Преимущества твердой смазки проявляются также, если вво­ дить ее в качестве компонента непосредственно при изготовлении

15

износ в 1,5 раза меньший, чем пластинки, заточенные аналогичным кругом без смазки.

Антифрикционные свойства селенпдов молибдена, вольфрама, ниобия исследовались на воздухе, в среде азота, аргона и в ва­ кууме [8].

Значительной термостойкостью обладает дисульфид вольфра­ ма, по данных об использовании его в качестве смазки при обра­ ботке металлов резанием не имеется.

ется непосредственно на поверхности самого материала инстру­ мента образованием соединения типа FeS.

Заслуживает внимания применение в качестве твердой смазки карбида вольфрама, из которого состоит основа большинства твер­ дых сплавов; обработанный хлором он дает соединения, обладаю­ щие хорошими антифрикционными свойствами. Осуществление этого процесса в условиях производства может дать простой и эф­ фективный метод повышения стойкости твердосплавного инстру­ мента. Для этого необходимо изучение возможности получения не^ посредственно на поверхности твердосплавного инструмента за­ щитных антифрикционных пленок MoS2 , WS2 и хлористого соеди­ нения карбида вольфрама, влияния полученных пленок на стой­ кость инструмента и вопросов, связанных с механизмом этого явления.

Электрохимические сплавы вольфрама также могут быть ис­ пользованы в качестве износостойких покрытий. В литературе [31] высказываются соображения о возможности использования спла­ вов вольфрама при высоких температурах и последующей замены ими хромовых покрытий. Имеется сообщение об использовании в качестве покрытии сплавов никеля с вольфрамом при изготовле­ нии оборудованяи для текстильной и нефтяной промышленности.

Вы в о д ы

1.Повышение износостойкости рабочих поверхностей произво­ дится в настоящее время доводкой инструмента, химико-термиче­

ской обработкой и покрытиями более прочными материалами.

2.Дальнейшим развитием метода упрочнения рабочих поверх­ ностей путем покрытий является применение для повышения изно­ состойкости антифрикционных твердых смазок, способных выдер­ живать большие удельные давления и высокие температуры, воз­ никающие при обработке металлов резанием.

3.Повышение износостойкости инструмента возможно также в результате применения химически активных жидкостей, которые,

.16

взаимодействуя с обрабатываемым материалом и материалом ин­ струмента, образуют тонкие химические пленки, обладающие высо­ кой прочностью и теплостойкостью и создающие условия для ра­ боты в режиме граничного трения.

4. Механизм действия твердых смазок и химически активных жидкостей основан на образовании на свежеобработанных поверх­ ностях адсорбированных граничных пленок молекулярной толщи­ ны, снижающих адгезию между деталью и режущим инструментом и способствующих отводу тепла в процессе трения. Наличие твер­ дого смазочного вещества значительно снижает трение на контактпых поверхностях, а слоистая структура твердых смазок обеспе­ чивает постоянное восстановление тонких пленок в зонах контакта

5. Широкое внедрение в промышленность твердых материалов, обладающих смазочными свойствами, для упрочнения и повыше­ ния износостойкости инструмента тормозится нз-зы неизученности процессов поверхностного насыщения и технологии нанесения их на рабочие поверхности. Исследования физической сущниаи яв­ лений при обработке инструментами с применением твердых сма­ зок и химически активных жидкостей, результаты которых изложе­ ны в гл. I I , будут способствовать более широкому внедрению в производство для конкретных условий работы как покрытий более

2 Заказ № 3695

I I . О Б Р А Б О Т К А И Н С Т Р У М Е Н Т А М И , П О К Р Ы Т Ы М И Т В Е Р Д Ы М И С М А З К А М И

Анализ напряженного состояния при точении

В связи с появлением большого количества новых машино­ строительных материалов возникла необходимость уточнения существующих представлении о влиянии условий резания на ха­ рактеристики процесса резания. Несмотря иа большое количество работ, механика процесса резания металлов еще полностью не изучена. Это препятствует улучшению технологии известных про­ цессов резания и разработке новых методов обработки труднооб­ рабатываемых материалов.

При анализе процесса резания одной из важных проблем явля­ ется установление функциональной зависимости между углами ин­ струмента, вектором результирующей силы и углом сдвига в стружке.

В работе [29] Эрнст и Мерчант представили ряд аналитиче­ ских формул, применяемых к механической обработке, затем было предложено несколько простых теорий. Ли и Шаффер [30] сдела­ ли предположение о существовании однородной пластической зо-- иы в стружке и применили теорию линий скольжения. Сата [31] предположил, что движение стружки над передней гранью резца происходит на плоскости сдвига, и нашел выражение для угла сдвига. Шоу [32] обратил внимание на взаимозависимость между процессами сдвига и трения и сделал вывод о том, что возможно несоответствие направления плоскости сдвига направлению макси­ мального усилия сдвига. Кобаяши и Томсен [33] ввели значение эффективной энергии как меру взаимосвязей между процессами сдвига и трения при резании. Они показали, что эффективная энер­ гия является почти постоянной величиной для данного материала в широком диапазоне условий резания.

Хотя все предыдущие решения основаны иа анализе деформа­ ции плоского сдвига изотропных материалов при равномерном распределении усилий на плоскости сдвига, Колдинг [34], анали­ зируя процесс образования стружки, ввел в рассмотрение эффект анизатропии и получил решение с неизвестными коэффициентами.

18

образовании сливной стружки, получил аналитическое выражение для силы резания и ее проекций в зависимости от усадки стружки, для коэффициента трения на передней поверхности, дал формулы

Настоящий анализ механики процесса резания проводится с основной целью — понять природу явлений, рассмотреть процесс деформирования стружки и определить, какие усилия и мощность необходимы для резания данного материала при данных условиях. Это позволит глубже понять процесс трения на контактных по­ верхностях инструмента, детали и стружки и будет способствовать решению проблемы износа инструмента.

Большинство процессов при резании металлов являются трех­ мерными. Однако обычно рассматривается упрощенная схема ре­ зания, когда режущая кромка и инструмент перпендикулярны на­ правлению движения. Кроме этого делается предположение, что боковое перемещениеметалла отсутствует. Следовательно, про­ цесс резания будет происходить в одной плоскости, что дает воз­ можность рассматривать зону стружкообразования в состоянии плоской деформации.

Метод линий скольжения позволяет решать сложные задачи пластического течения металла нахождением возможного поля ли­ ний скольжения и выявлением эпюр распределения напряжений и скоростей деформации. Метод этот получил в последние годы зна­ чительное развитие благодаря усилиям многих исследователей, с успехом применявших его для решения практических задач.

Сетки линий скольжения состоят из двух семейств линий мак­ симальных касательных напряжений, пересекающихся под прямы­ ми углами в поле пластического течения. Эти линии обладают свойством удовлетворять уравнениям статического равновесия, условию пластичности и возможному полю течения везде в пласти­ ческой области металла. Их можно во многих случаях строить ана­ литически как характеристики дифференциального уравнения, по­ лученного из совместного решения уравнений равновесия и усло­ вия пластичности, при этом никаких условий на скорости дефор­ мации не налагается.