Файл: Макаров, А. Д. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов учебное пособие.pdf

Рис. 4.8. Влияние скорости резания иа стойкость резцов при точении молибденового сплава BMI в различных средах (t = 1 мм; s = 0,1 мм/об):

а — быстрорежущий резец; б — твердосплавный резец ВК8

главным образом штрихи абразивного износа, тогда как при об­ работке жаропрочного сплава проявляется одновременное дейст­ вие как абразивного, так и адгезионного износов (рис. 4.7).

В связи с тем, что при резании в химически активных средах увеличивается абразивно-химический износ быстрорежущих сталей, стойкость инструмента может оказаться ниже, чем при обработке на воздухе. Например, по данным работы [13], при то­ чении молибдена в четыреххлористом углероде стойкость быстро­ режущего резца может быть в 10—12 раз ниже, чем на воздухе (рис. 4.8 а), при этом стойкость быстрорежущих резцов тем мень­ ше, чем выше химическая активность среды. Установлено также [13], что при резании сталей и молибдена твердыми сплавами в химически активных средах абразивно-химический износ про­ является сравнительно слабо. Это объясняется тем, что химически активные среды создают поверхностные пленки, сильно уменьшаю­ щие силы адгезии. Ввиду понижения интенсивности адгезионного износа, стойкость твердосплавного инструмента в химически ак­ тивных средах возрастает (рис. 4.8 б), причем тем сильнее, чем выше химическая активность среды.

Из анализа проведенных исследований следует, что режущие инструменты (протяжки, плашки, метчики и др.), работающие

37

при относительно низких скоростях и температурах резания, под­ вергаются в основном адгезионному, абразивному и абразивно­ химическому износу.

Диффузионный износ

Исследования, проведенные Т. Н. Лоладзе, Н. Ф. Казаковым, Н. В. Талантовым и др. [5, 7, 141, показали, что интенсивный износ твердосплавного инструмента может происходить из-за взаимной диффузии инструментального и обрабатываемого мате­ риалов.

Согласно современным взглядам, металлы в твердом состоянии представляют систему правильно расположенных в пространстве положительных ионов и относительно свободных электронов, дви­ жущихся в определенных энергетических .«зонах». Ионы совер­ шают тепловые колебания с большей или меньшей амплитудой в соответствии со статистическим законом распределения энергии в кристаллической решетке.

Колебания (около 1013 циклов в секунду) с большой амплитудой приводят к тому, что ионы могут не вернуться к своему преж­ нему центру колебаний, а занять энергетически более «удобное» место. Такие перемещения атомов, превышающие средние межатом­ ные расстояния, принято называть диффузией. При повышении температуры происходит резкое ускорение диффузии вследствие увеличения амплитуды колебаний ионов кристаллической ре­ шетки.

При рассмотрении миграции атомов в кристаллической ре­ шетке различают: а) миграцию атомов в чистом металле или ато­ мов растворителя в твердом растворе (этот процесс носит на­ звание самодиффузии), б) миграцию атомов растворенного элемен­ та в решетке растворителя — гетеродиффузию. Реактивная диф­ фузия [5] связана с образованием сложных химических соедине­ ний.

Границы зерен имеют большое количество несовершенств кристаллической решетки (особенно при пластической деформа­ ции), поэтому-диффузия вдоль границ зерен происходите большой скоростью (граничная диффузия). Большая плотность искажений в поверхностном слое металлов, связанная с выходом дислокаций, наличием ненасыщенных связей и т. п., обусловливает существо­ вание поверхностной диффузии, скорость которой больше ско­ рости граничной диффузии.

Исследования диффузии в твердых телах показали, что в металлах способны диффундировать те элементы, которые в них растворяются [15, 16].

Фик [17] в 1855 г. показал, что кинетика диффузии вполне аналогична кинетике теплопроводности. Согласно первому закону Фика, количество вещества, продиффундировавшее за время dt

38

через поверхности ds на расстояние dx от исходной плоскости, пропорционально падению концентрации dc, т. е.

Знак минус перед.уравнением означает, что вещество двигается в сторону убывания концентрации. Коэффициент пропорциональ­ ности D называется коэффициентом диффузии и выражает коли­ чество вещества в молях или граммах, диффундирующее в еди­ ницу времени через единнцу площади при градиенте концентрации

= 1. D имеет размерность см2/сек или см2]сутки.' Коэффи­

циент диффузии, характеризующий,-скорость процесса, не являет­ ся постоянной величиной, а изменяется в. зависимости от многих факторов: температуры, концентрации диффундирующего ве­ щества, давления (деформации), особенностей кристаллической структуры и т. п.

Температурная зависимость коэффициента диффузии выража­

Чем выше энергия активации, тем устойчивее решетка и тем менее вероятна диффузия. Величина энергии активации зависит от типа кристаллической решетки... .

Установлено [18], что чем больше температура плавления контактирующих тел, тем выше значение энергии активации и самодиффузии. Обычно принимают, что Q = 70 ч- 80%. от.теплоты испарения (сублимации). Энергия.активации зависит также,от типа твердого раствора: большей энергией активации характери­ зуются диффузионные процессы в растворах замещения и мень­ шей — в растворах внедрения, В соответствии с конкретным вицом диффузии различают энергию активации объемной поверхностной и граничной диффузии.

При рассмотрении процесса диффузии большой практический интерес представляет возможность определения концентрации диффундирующего вещества на определенном расстоянии от по­ верхности раздела в зависимости от температуры и времени. Та­ кая зависимость получается в общей дифференциальной форме из приведенного уравнения Фика (4.1) и носит название второго за­ кона Фика:

- (4.3)

39

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