книги из ГПНТБ / Маслов, Е. Н. Теория шлифования материалов

ния постепенно переходит через все стадии отпуска в ис­ ходную структуру закалки.

Ниже приведены некоторые особенности структурных превращений в процессе шлифования: 1) поверхностные слои содержат гораздо больше аустенита (в процентах), чем его образуется при обычйой закалке; 2) шлифование незакалепной стали не вызывает появление аустенита; 3) сильно отпущенный слой, расположенный непосред­ ственно под слоем, испытывавшим поверхностную за­ калку, имеет такое же количество неразложившегося остаточного аустенита, как основная масса образца; 4) ау­ стенит образуется независимо от того, применялось охла­ ждение или нет.

Высокие мгновенные температуры, развивающиеся при шлифовании закаленной стали, могут привести к появле­ нию прижогов и даже шлифовочных трещин.

Шлифовочный прижог — местное изменение структуры поверхностного слоя шлифуемой детали, возникающее в результате высоких мгновенных температур и интенсив­ ного выделения теплоты на малых участках поверхност­ ного слоя детали. Прижоги, сопровождающиеся мелкими трещинами, снижают твердость и износостойкость поверх­ ностного слоя деталей, поэтому они являются одними из наиболее серьезных дефектов закаленных сталей.

Причины появления прижогов могут быть следующие: 1) завышенный режим шлифования, развивающий чрез­ мерно высокую нагрузку зерен шлифовального круга на обрабатываемый металл и интенсивный его нагрев; 2) не­ правильно выбранный (слишком твердый) шлифовальный круг, также развивающий чрезмерно высокую нагрузку абразивных зерен на обрабатываемый металл; 3) сильное затупление («засаливание») рабочей поверхности шлифо­ вального круга металлической стружкой; 4) недостаточ­ ное охлаждение при абразивном шлифовании твердых (за­ каленных) сталей; 5) биение круга, некачественная уста­ новка деталей и др.

В результате изучения появления прижогов при шли­ фовании колец шарикоподшипников из стали ШХ15 пред­ ложено прижоги разделить по микроструктуре на два класса. Первый класс — прижоги с отпуском. Если тем­ пература нагрева обрабатываемого поверхностного слоя не достигла точки Aclt то структура зоны прижога пред­ ставляет собой продукты распада мартенсита (троостит, сорбит). При травлении эти прижоги выявляются в виде

201

сильно травящих пятен. Второй класс — прижоги с под­ кладкой. Если температура поверхностного слоя пере­ ходит через точку АсІУ то вследствие высокого нагрева и обильного охлаждения от струи охлаждающей жидкости эта зона вторично закаливается. Периферийные зоны пятна прижога, температура которых не достигла точки Асъ имеют структуру троостита и сорбита. Прижог второго класса состоит из двух зон: подкалки и отпуска.

Рис. 118. Микрошлиф прижога граничного слоя детали (X 120)

В зависимости от размеров и конфигурации прижогового пятна каждый из классов разбит на группы. Таких групп в каждом классе две: группа А — крупные при­ жоги, имеющие круглую форму, а иногда округленную вытянутую, независимо от направления шлифования; группа Б — мелкие прижоги, в форме тонких штрихов, расположенных вдоль шлифовочных рисок.

На.рис. 118 приведен микрошлиф прижога, полученный при шлифовании с охлаждением детали диаметром 100 мм из закаленной стали 9Х кругом Э40СТ1К5 D — 500 мм и Н — 60 мм на круглошлифовальном станке при следую­

слой 1 (толщиной 0,03 мм) имеет аустенитно-мартенситную структуру и лежит на «подушке» из сильно отпущенной стали 2, имеющей трооститовую структуру (темного цвета). Трооститовый слой не является стабильным и через участки

202

различно отпущенного металла переходит в исходную структуру 3 закаленной стали. Таким образом, в резуль­ тате шлифования в металле поверхностного слоя произо­ шли фазовые превращения и структурные изменения. От­ меченное явление свидетельствует о том, что в процессе шлифования абразивным кругом: 1) развиваются высокие температуры, при которых происходят фазовые превра­ щения в металле поверхностного слоя шлифуемой детали; 2) в металле поверхностного слоя осуществляется терми­ ческий процесс.

Структура стали (перлитное превращение) изменяется при нагреве стали до температуры критической точки Асг. При этой температуре эвтектоидные стали (0,8% С) пере­ ходят в состояние аустенита при необходимой выдержке.

Для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей темпера­ тура точки Асх является недостаточной для перевода всей системы в аустенит; в этом случае в аустенит перейдет лишь перлит, а феррит (в доэвтектоидных сталях) и цементит (в заэвтектоидных сталях) такого перехода не имеют.

Для неэвтектоидных сталей: 1) нагрев до точки Ас3 с необходимой выдержкой при этой температуре обеспе­ чивает перевод стали в состояние аустенита, что осуще­ ствляется при полной закалке; 2) нагрев до температур точек Асх—Ас3 с необходимой выдержкой обеспечивает частичный перевод стали в состояние аустенит, а также присутствие феррита (в доэвтектоидных сталях) или це­ ментита (в заэвтектоидных сталях), что осуществляется при неполной закалке.

Структура, приведенная на рис. 118, свидетельствует, что при шлифовании граничный слой нагревается выше температуры точки Ас3 (не ниже 800—850° С) и в резуль­ тате последующего быстрого поверхностного охлаждения была зафиксирована аустенито-мартенситная структура.

Слои металла, лежащие ниже граничного слоя, охла­ ждались с меньшей скоростью и поэтому получили струк­ туру распада мертенсита (троостит и др.). При прижоге деталей из закаленной стали во время шлифования про­ исходит поверхностная (вторичная) закалка тончайшего слоя металла в результате его быстрого» нагрева выше критической точки превращения и фиксирования состоя­ ния твердого раствора путем ускоренного охлаждения. Глубина поверхностного слоя металла, на которую рас­ пространяются высокие мгновенные температуры (выше

203

точки /4с3), зависит главным образом от режима резания при шлифовании, твердости и степени затупления круга, твердости шлифуемой стальной детали и других условий. При более высоком режиме шлифования больший слой металла нагревается до температуры выше точки Ас3.

На рис. 119 приведен микрошлиф прижога, получен­ ный нами при указанных выше условиях шлифования, но при увеличении окружной скорости детали до

Рис. 119. Микрошлиф прижога граничного слоя детали (X 120); ок­ ружная скорость детали ѵл = 94,2 м/мин

94,2 м/мин. В этом случае граничный слой 1 имеет аусте- нитно-мартенситовую структуру на большей толщине (0,09 мм) и лежит на сильно отпущенном металле 2, имею­ щем трооститовую структуру и большую толщину.

При шлифовании незакаленных (отожженных) сталей прижогов поверхностного слоя не наблюдается, так же как не наблюдается поверхностной закалки и аустенитномартенситового граничного слоя. Для закалки углероди­ стой стали (сплава железо—углерод) необходимо пере­ группировать атомы из решетки Fe„ в решетку FeY, что достигается путем взаимной диффузии цементита и фер­ рита при температуре точки Ася. На осуществление этого процесса необходимо соответствующее время. Кратковре­ менность выдержки при температуре рекристаллизации в процессе шлифования исключает возможность протека­ ния указанной диффузии, а следовательно, возможность получения аустенита и прверхностной закалки.

204

В закаленной стали с аустенитной структурой раствор углерода в Fev уже имеется и поэтому практически мгно­ венный нагрев и быстрое охлаждение фиксируют гранич­

Теплота, образующаяся при шлифовании и вызываю­ щая прижог, отводится главным образом в глубь металла,

стью, от которого твердость повышается по концентри­ ческим окружностям неправильной формы, ограничиваю­ щим зоны прижога, имеющие равную твердость, указан-

205

ную на рис. 120. В центре прижога температура дости­

гает 450—500° С.

Для определения твердости по глубине прижога при­ меняют послойное шлифование. При измерении твердости в двух взаимноперпендикулярных направлениях был вы­ явлен кратерообразный характер изменения твердости

твердость и работают эффективнее.

лучшие условия для резания (меньше трения) и для

Э40СТ1К6 трещины появлялись приследующем режиме

Для выявления микротрещин образцы намагничивали «циркульным полем», которое создавалось пропусканием через них переменного тока {и = 6 В, / = 700 А) с по-

206

мощью магнитного дефектоскопа. Продолжительность на­ магничивания 2—3 с. Затем намагниченные образцы по­ крывали водной магнитной суспензией. Под действием магнитного поля металлические частицы из водной маг­

внутренние напряжения превысят величину предела проч­ ности металла, то образуются трещины.

Шлифовочные трещины образуются обычно у края прижога и огибают снизу обожженную зону (рис. 124). Как правило, трещина про­ ходит по необожженной зоне металла. Это вызвано тем, что тепловые и структурные напряжения в отпущенном слое, имеющем трооститовую

структуру с достаточно высокой пластичностью, получают своего рода пластическую разрядку, т. е. приводят к не­ большим пластическим деформациям. Напряжение в не­ пластичной мартенситной структуре, не имеющей этой разрядки, вызывает разрушение металла. Отмеченная за­ кономерность наблюдается лишь в том случае, если тре­ щина образуется около изолированного прижога. В слу-

207

чае, если на небольшом участке поверхности возникает несколько прижоговых зон, то образование и расположе­ ние трещин усложняется. Однако наблюдаются случаи, когда при наличии сильных прижогов трещины не обна­ руживаются, тогда как слабые прижоги могут вызвать их. Вероятно, внутренние напряжения, имеющиеся в де­ тали до шлифования, имеют не меньшее значение, чем на­ пряжения, возникающие при неправильном шлифовании.

При шлифовании нежестких деталей одновременно со структурными изменениями поверхностного слоя наблю­ дается и коробление детали.

Так как тепловые напряжения распространяются рав­ номерно во всех направлениях шлифуемой поверхности, то нежесткие образцы (цилиндрические и плоские) имеют определенную вогнутость (прогиб).

При прочих равных условиях максимальные прогибы наблюдаются у образцов из стали 20 и минимальные —

уобразцов из стали ШХ15. Это объясняется разной глу­ биной напряженного слоя. Стали, обладающие высокой теплопроводностью, успевают отвести теплоту от поверх­ ности на большую глубину, поэтому толщина слоя, де­ формирующегося в нагретом состоянии, у них больше, чем

уменее теплопроводных сталей. Предполагают, что про­ гиб изменяется пропорционально коэффициентам тепло­ проводности.

Качество поверхностного слоя деталей после алмазного' шлифования

Как показали рентгеноструктурные исследования по­ верхностного слоя, в твердых сплавах при алмазной обра­ ботке структурных превращений не происходит, что объ­ ясняется низкими удельными силами и температурами, развивающимися при такой обработке.

Структурные изменения в поверхностном слое в про­ цессе алмазного шлифования наиболее характерны для быстрорежущей стали Р18. У инструмента из этой стали после шлифования обычными абразивными кругами по­ верхностный слой чаще состоит из вторично закаленного и лежащего под ним отпущенного слоя или одного вто­ рично закаленного слоя. Такой слой снижает износостой­ кость режущего инструмента. В связи с этим доводка ин­ струмента должна предусматривать полное удаление слоя вторичной закалки, а также и слоя отпуска (если он

208

имеется), не внося при этом дополнительных структурных изменений.

На структурные изменения в поверхностном слое стали Р18 влияют все параметры процесса алмазного шлифова­ ния. Степень значения каждого из них определяется влия­ нием на силу и температуру резания, а также динамич­ ностью термических процессов шлифования. Структурные изменения в быстрорежущей стали при жестких режимах алмазного шлифования характеризуются появлением уве­ личенного количества аустенита, которое может достигать 25%. При этом также наблюдается рост количества кар­ бидов, в то время Как при абразивном шлифовании и при обычных процессах термической обработки стали Р18 увеличение остаточного аустенита сопровождается неко­ торым уменьшением количества карбиддв. Такая законо­ мерность является результатом физико-химического взаи­ модействия алмазного круга с быстрорежущей сталью.

Подбирая должным образом условия и режим алмаз­ ного шлифования доводки деталей из стали Р 18, можно полностью устранить дефектную структуру, полученную после предварительной обработки абразивными кругами. При алмазном шлифовании твердых сплавов остаточные напряжения определяются также суммарным воздейст­ вием механического и термического факторов; механичес­ кого — вследствие неоднородности пластической дефор­ мации по сечению образца' и термического в результате неоднородного нагрева по сечению образца и сильно раз­ личающихся (примерно в 3 раза) коэффициентов теплового расширения карбидной и кобальтовой фаз. При алмаз­ ном шлифовании силы и температура резания меньше, чем при абразивном, следовательно, действие как механи­ ческого, так и термического факторов будет меньше.

При всех условиях алмазного шлифования вольфрамо­ кобальтовых твердых сплавов в поверхностном слое воз­ никают сжимающие остаточные напряжения как в ко­ бальтовой, так и в карбидной фазах, что подтверждает основную роль механического фактора в их формировании. Термические растягивающие напряжения снижают аб­ солютную величину сжимающих остаточных напряжений. Поэтому с ужесточением условий шлифования, вызываю­ щих рост тепловой напряженности процесса, величина сжи­ мающих остаточных напряжений уменьшается. Увели­ чение содержания кобальта в твердом сплаве приводит к росту сжимающих остаточных напряжений.

20Э

При шлифовании серого перлитного чугуна кругами с зерном из кубического нитрида бора фазовых изменений не происходит. Отмеченная закономерность свидетель­ ствует о том, что при шлифовании чугуна кругами с зер­ нами из кубического нитрида бора развиваются темпера­ туры, не превышающие 300° С. В этом случае возникают,

б,М Н /м >

т

200

как правило, сжимающие остаточные напряжения, вели­ чина которых значительна и достигается на поверхности 700 МН/м2. Наибольшие напряжения находятся в слое толщиной 3—5 мкм при общей глубине наружного слоя до 35—45 мкм.

По мере удаления от поверхностного слоя величина

гивающими. В дальнейшем происходит затухание напря­ жений без изменения их знака.

При шлифовании высокопрочного чугуна остаточные напряжения определяли [166] при плоских образцах раз­ мером 120X20X7 мм. Напряженные поверхностные слои удаляли электрохимическим травлением; деформацию

210