книги из ГПНТБ / Макаров, А. Д. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов учебное пособие

Для общего случая объемной диф­ фузии

концентрации по глубине и времени рации диффундирующего вещес­ тва в зависимости от х и t будет определяться решением уравнения (4.3). В частном случае, когда

D не зависит от концентрации, это решение можно представить графически (рис. 4.9). При этом глубина слоя с заданной кон­ центрацией С изменяется пропорционально квадратному корню из времени выдержки

где А — постоянная величина для данной концентрации С. Неравновесные дефекты при пластической деформации су­

щественно (в сотни раз) ускоряют процесс диффузии [19]. Эта ускорение пропорционально скорости деформирования, т. е. мгновенной концентрации вакансий.

Избыточные концентрации вакансий можно создать также быстрым охлаждением (закалкой) и облучением частицами с боль­ шой энергией.

Начальный период диффузии характеризуется необычайно высокой скоростью растворения, и далее по закону гиперболы скорость уменьшается [5] (рис. 4.10).

При высоких скоростях резания высокие температуры, боль­ шие пластические деформации и адгезия в зоне контакта в силь­ ной степени способствуют диффузионному растворению инструмен­ тального и обрабатываемого материалов. В результате перепада концентраций процесс взаимного растворения за время резания протекает непрерывно.

Стружка и поверхность резания с большой скоростью пере­ мещаются относительно поверхностей режущего инструмента. Время контакта частиц обрабатываемого материала с поверхностя­ ми инструмента исчисляется сотыми и тысячными долями секун­ ды. В контакт непрерывно входят все новые и новые участки по­ верхности обрабатываемого материала, и при контактировании они продолжают подвергаться пластической деформации. Ввиду этого при резании на контактных поверхностях инструмента ско­ рость растворения чрезвычайно высока и соответствует начальному периоду диффузии.

Убедиться в наличии диффузионных процессов при резании можно из рассмотрения микрофотографий зон контакта (рис. 4.11

и рис. 4.12).

40

У самой границы раздела обнаруживается тонкая белая нетравящаяся прослойка 2 (железовольфрамовый карбид Fe2W2C), по­ явившаяся в результате диффузии вольфрама и углерода в желе­ зо. В твердом сплаве наблюдаются потемневшие участки 3.струк­ турных превращений. Эти участки возникают в результате диффу­ зии железа в твердый сплав и диффузии отдельных компонентов

из твердого сплава в железо.

На рис. 4.13 представлены концентрационные кривые воль­ фрама и железа при переходе от твердого сплава к железу [5]. Марограмма контактной поверхности стружки [14] (рис. 4.14) подтверждает наличие реактивной диффузии на некотором участ­ ке стружки, соответствующем так называемой зоне упрочнения.

41

-----------

Рис, 4.13 Концентрационные кривыа вольфрама и железав диффузионных слоях

Рис. 4.15. Зависимость износа твердосплавных резцов от скорости резания при точении стали 50 (по Н. Ф. Казакову [7]) 1— Т14К8; 2— Т30К4,,,

Таким образом, установлено, что нетравящаяся прослойка — результат реактивной диффузии -г- образуется не только в моде­ лированных условиях (рис. 4,11 и 4.13), но и при резании в реаль­ ных условиях (рис. 4.12 и 4.14). В последнем случае диффузия наблюдается в зоне полного прилипания (схватывания) стружки к инструменту, т. е. в зоне высокой ювенильности контакта и наибольших нормальных нагрузок.

Процессы диффузионного износа в большой степени зависят от свойств реагирующих пар материалов.

Минералокерамический инструмент не подвергается диффузион­ ному износу. Причиной этого является его инертность по отноше­ нию к стали. Известно, что корунд не растворяется в стали даже при температуре ее плавления. Этим объясняются преимущества керамического инструмента при обработке стали в подогретом состоянии.

Например [5], при точении с подачей s = 0,1 мм/об стали, подогретой до 1000 1100°С, стойкость резца Т15К6 при скоро­ сти резания 270 -4- 360 мм/мин составляет 5ч-7 сек. Стойкость же резца из минералокерамики ЦМ332 при скорости 360-4-520 м/мин равна 170ч-200 сек. В то же время между минералокерамикой и титаном возможна взаимная диффузия.

Влияние инертности материала инструмента по отношению к обрабатываемому материалу при диффузионном износе хорошо прослеживается при сопоставлении данных, приведенных на рис. 4.15 и 4.16. Рассмотрим интенсивность износа твердосплавных резцов Т14К8 и Т30К4 при точении на высоких скоростях, .при которых диффузионные процессы заведомо играют определяющую роль. При точении стали 50 (рис. 4.15) со скоростью V = 400 м/мин

44

зо и никель, поэтому при равных температурах резания меньше и интенсивность диффузионного износа алмаза при обработке этих материалов.

Следует иметь в виду, что диффузионный износ зависит не только от непосредственного переноса атомов инструментального материала в деталь и стружку. При диффузионном износе проис­ ходит также разрушение контактных слоев инструмента, ослаб­ ленных диффузионными процессами, протекающими в этих слоях (включая фазовые превращения, разупрочнение и т. д.). Следо­ вательно, имеют место два процесса (диффузионное растворение и разрушение ослабленной диффузионными процессами поверх­ ности), которые конкурируют в диффузионном износе.

После ряда допущений и упрощений диффузионного износа Т. Н. Лоладзе [51 предложил следующие уравнения стойкости ин­ струмента. Когда диффузионный слой является твердым раствором (гетеродиффузия), стойкость по износу задней поверхности спределяется формулой

45

а— задний угол;

у— передний угол;

Ga —весовая концентрация диффундирующего элемента в интерметаллиде.

ностей тоже больше всего связаны с прочностью режущего инстру­ мента.

Так называемый «окислительный» износ, по-видимому, не: может трактоваться самостоятельно. Эго прежде всего вытекает из противоречивых данных о влиянии окислительных процессов на износ режущих инструментов [8, 22 и др.[: одни исследователи' рассматривают интенсификацию окислительных процессов как причину интенсификации износа рабочих псверхностей инструмен-. та, другие же исследователи, наоборот,— как фактор, снижаю­ щий износ. Очевидно, окислительные процессы имеют главным1 образом косвенное влияние на износ инструментов.

Содной стороны, окисные пленки, покрывающие контактирую­ щие поверхности, нарушают ювенильность контакта, и при трении происходит схватывание пленок и их разрушение. Это предохра­ няет инструмент от более интенсивного износа путем глубинного вырывания инструментального материала. Следовательно, окис­ лительные процессы снижают адгезионный износ.

Сдругой стороны, окисные пленки приводят к интенсифика­ ции абразивно-химического износа. В зависимости от конкрет­ ных условий резания может превалировать тот или иной фактор.

Тепловые явления, сопровождающие процесс деформации обра­ батываемого материала при отделении стружки, являются основ­ ной причиной возникновения при резании термоэлектронной эмис­ сии, термоэлектрических и термомагнитных эффектов, порож­

47

дающих термоэлектрический ток в системе станок—инструмент — изделие — станок (СИИС).

Ввиду того, что инструментальный и обрабатываемый мате­ риалы, вступающие в контакт при резании, всегда разнородны, существенную роль во всех термоэлектрических эффектах, на­ блюдаемых при резании, играет контактная разность потенциалов (или генерируемая термоэдс). В зависимости от общего сопротив­ ления в системе СИИС возникает при резании термоэлектрический ток различной силы. Появление местного термотока может быть связано также с разным локальным нагревом режущей кромки (как это имеет место, например, при сверлении).

П. Л. и С. Л. Гордиенко 1231 впервые экспериментально показали, что электрический ток, независимо от его происхож­ дения, проходя через поверхности контакта трущихся тел, отри­ цательно влияет на их износостойкость.

Всвязи с этим были предложены различные методы борьбы

свлиянием термотоков на износ режущих инструментов. Согласно классификации [24] все существующие методы све­

дены к трем:

1. Метод разрыва цепи результирующего термотока, возникаю­ щего при резании. Однако при этом местные термотоки, связанные с разным локальным нагревом режущей кромки, могут оказывать некоторое "влияние на износ инструмента.

2. Компенсационный метод, при котором в зону резания от постороннего источника вводится ЭДС, полярность которой противоположна полярности результирующей термоэдс, а величи­ на равна величине термоэдс. Данный метод значительно сложнее и дороже предыдущего, но позволяет компенсировать и мест­ ные термотоки.

3. Метод противотока, при котором в зону резания от посто­ роннего источника вводится ЭДС, полярность которой противо­ положна полярности результирующей термоэдс, а величина превышает величину термоэдс. В результате через зону резания проходит ток в направлении, противоположном направлению термотока. По сложности и дороговизне применения метод проти­ вотока практически равноценен компенсационному методу.

Данные, приведенные в работе [241, свидетельствуют, что применение указанных методов борьбы с влиянием термотоков может в ряде случаев понизить интенсивность износа инструментов до 2—4 раз.

В связи с этим ряд исследователей считает, что под влиянием термотоков режущий инструмент подвергается дополнительному «электрическому» износу. В работе [24] показано, что «электри­ ческий» износ носит характер электрической диффузии и поэтому назван «электродиффузионным» износом. Под электрической диф­ фузией в данном случае подразумевается явление перераспреде­ ления компонентов инструментального и обрабатываемого мате­ риалов при прохождении тока через микроплощадки фактического

4'8