Зносостійкість інструментальних матеріалів у водневому газовому середовищі та фізико-хімічні особливості воднево-дифузійної обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Технологічний університет поділля

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

Зносостійкість інструментальних матеріалів у водневому газовому середовищі та фізико-хімічні особливості воднево-дифузійної обробки

Бурлаков Андрій Анатолійович

Хмельницький - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, доцент Гладкий Ярослав Миколайович, Технологічний університет Поділля, декан факультету

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шевеля Валерій Васильович, Київський міжнародний університет цивільної авіації, завідувач кафедри фізики;

доктор технічних наук, професор Никифорчин Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів), завідувач відділом корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів

Провідна установа Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра технології підвищення зносостійкості

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, доцент Калда Г.С.

Анотація

Бурлаков А.А. Зносостійкість інструментальних матеріалів у водневому газовому середовищі та фізико-хімічні особливості воднево-дифузійної обробки матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04. - тертя та зношування в машинах. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 2000.

Дисертація присвячена вивченню нового напрямку - дослідженню водневого зношування інструментальних матеріалів. В роботі встановлено наукові закономірності та механізми процесів тертя та зношування в водневому середовищі. За допомогою сучасних методів досліджень вивчено властивості наводнених при терті інструментальних матеріалів, на підставі чого вдалося розробити технологічні прийоми підвищення зносостійкості інструменту, продуктивності механічної обробки і покращання оброблюваності конструкційних матеріалів шляхом зміни фізико-хімічної і механо-фізичної ситуації в зоні тертя-різання. Проведена оцінка працездатності інструментальних матеріалів. Розроблена фізико-математична модель водневодифузійної механічної обробки.

Ключові слова: тертя, водневе зношування, зносостійкість, інструмент, інструментальні матеріали, водень, воднева крихкість, оброблюваність.

Аннотация

Бурлаков А.А. Износостойкость инструментальных материалов в среде газообразного водорода и физико-химические особенности водорододиффузионной обработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04. - трение и износ в машинах. - Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 2000.

Диссертация посвящена изучению нового, приоритетного направления в современной трибологии - исследованию водородного изнашивания материалов. В работе установлены научные закономерности и механизмы процессов трения и изнашивания таких инструментальных материалов как быстрорежущая сталь Р6М5 и твердые сплавы Т5К10 и ВК6М в среде газообразного водорода. Показано, что процесс изнашивания инструментальных материалов на воздухе и в среде водорода подчиняется основным принципам теории структурной приспосабливаемости и представляет собой циклический процесс образования и разрушения тонких поверхностных пленок вторичных структур, экранирующих материал от механической и физико-химической деструкции. Состав и стехиометрия исследованных вторичных структур зависят от режимов трения и окружающей газовой среды. С применением новейших методов исследований проведено изучение процессов наводораживания материалов при трении и их свойств; изучены сопровождающие трение физикохимические процессы. Установлено, что для образцов из быстрорежущей стали в течении всего периода испытаний интенсивность изнашивания и коэффициент трения в среде водорода меньше, чем на воздухе, а для твердосплавных образцов наряду со снижением коэффициента трения скорость изнашивания в среде водорода растет. В работе показано, что такие отличия в поведении трибосистем вызваны различиями в характеристиках реакционной способности поверхностей, различными физико-химическими процессами в зоне контакта и температурным фактором. Проведены исследования в области подавления водородного изнашивания.

Результаты триботехнических испытаний послужили основой для разработки технологических приемов повышения износостойкости режущего инструмента, повышения производительности механической обработки и улучшения обрабатываемости конструкционных материалов путем изменения физико-химической и физико-механической ситуации в зоне трения-резания под действием водорода. Представлено две принципиальные схемы подачи водорода в зону стружкообразования, основанные на температурной диссоциации из “инструментов-аккумуляторов”. Проведена экспериментальная оценка эффективности работы инструментальных материалов в процессе водорододиффузионной механической обработки сталей и сплавов различного химического состава и структуры. Установлено изменение характера стружкообразования: вместо характерного при обработке на воздухе вязкого разрушения, происходит хрупкое.

Проведены исследования по ортогональному резаниию стали Ст.3 инструментом из Р6М5 с измененной физико-механической ситуацией в зоне обработки, а также испытания по растяжению стандартных и наводороженных образцов стали Ст.3, с применением метода акустической эмиссии, на основании которых установлены причины изменений в характере стружкообразования.

Разработана физико-математическая модель, описывающая процесс упруго-пластического деформирования обрабатываемого материала в зоне обработки резанием, позволяющая оценить параметры контактной зоны на поверхности инструмента с учетом наводораживания, трения и температурно-скоростного фактора. Процесс водорододиффузионной обработки в теоретических исследованиях рассматривается как стационарный режим при условии существования постоянного источника газообразного водорода, влияние других сред не учитывается. Так как скорость диффузии водорода в металл соответствует скорости резания, физическая модель водородо-диффузионной обработки представляется в виде водородного облака впереди режущего клина, а изменение физических процессов происходит в зоне ее действия. Описание процесса термодиффузии водорода базируется на линейном уравнении массопереноса.

Ключевые слова: трение, водородное изнашивание, износостойкость, инструмент, инструментальные материалы, водород, водородная хрупкость, обрабатываемость.

Annotation

Burlakov A.A. Instrumental materials wear resistance in the hydrogen gaseous medium and physical-chemical peculiarities of the materials hydrogen-diffusive processing. - Manuscript.

Thesis for candidate of science scientific degree obtaining, speciality 05.02.04. - machines' friction and wear. Technological university of Podillya, Khmelnitskiy, 2000.

The thesis is devotes to a new case study - instrumental materials' hydrogen wear research. Scientific regularities, friction and wear processes mechanisms in the hydrogen medium are determined in the study, on the basis of what the technological techniques of tool wear resistance increase, the mechanical processing productivity and constructional materials workability improvement by means of physical-chemical and mechano-physical situation change in the friction-cutting zone succeeded to be developed.

The instrumental materials' working capacity estimation was carried out. Physical-chemical model of hydrogen-diffusive mechanical processing was developed.

Keywords: friction, hydrogen wear, wear resistance, tool, instrumental materials, hydrogen, hydrogenous fragility, processing.

1. Загальна характеристика роботи

зношування інструментальний різання

Актуальність теми. Постійне підвищення продуктивності праці, надійності і довговічності взаємодіючих пар тертя за рахунок інтенсифікації робочих процесів призводить до підвищення механічної і теплової напруженості спряжених елементів. Внаслідок цього на активованих поверхнях відбуваються різноманітні фізико-хімічні процеси. В результаті трибо- і термодеструкції мастильно-охолоджуючих матеріалів, з оточуючого середовища і контактуючих пар тертя в переважній більшості випадків відбувається виділення газоподібного водню, що призводить до зсуву цих процесів в той чи інший бік і появи водневого зношування, закономірності якого почали вивчати тільки в 70-х роках XX століття. Тому такі теоретичні та експериментальні дослідження в плані подальшого розвитку питань водневої трибології є досить актуальними.

Дослідженням з вивчення водневого зношування конструкційних матеріалів приділяється значна увага, однак відомостей про вплив водню на триботехнічні характеристики інструментальних матеріалів практично немає. Поштовхом до вивчення водневого зношування інструментальних матеріалів послужило розширення кола робіт, пов'язаних з використанням водню для зміни фізико-механічної і фізико-хімічної ситуації в зоні “тертя - різання” з метою підвищення зносостійкості інструментальних матеріалів, продуктивності механічної обробки та покращання оброблюваності матеріалів.

Значний вклад у вивчення проблем, пов'язаних з процесами водневого зношування матеріалів (у тому числі і інструментальних) в різних умовах контактної взаємодії, внесли Д.М. Гаркунов, А.А. Поляков, А.Ф. Аксенов, П.В. Назаренко, Г.П. Шпеньков, Я.М. Гладкий, Э.А. Станчук, А.П. Шумілов.

Основними завданнями з проблем зношування матеріалів під дією водню, поставлених колективом трибологів під керівництвом проф. Д.М. Гаркунова на наступне тисячоліття, є: розробка методів (методик) дослідження водневого зношування; вивчення процесів наводнювання металів при терті, вивчення властивостей наводненого металу при терті, а також впливу режимів тертя на водневе зношування з використанням найсучасніших методів досліджень; вивчення фізико-хімічних процесів, що відбуваються в різноманітних парах тертя при водневому зношуванні, та виявлення характеристик реакційної спроможності поверхонь за різними режимами тертя; дослідження в області попередження водневого зношування деталей машин, деревообробного і металорізального інструментів; вивчення загальних закономірностей водневого зношування і встановлення областей його виявлення; розробка методів подавлення водневого зношування металорізального і деревообробного інструментів, інструмента при обробці хутряних виробів.

Відомо, що як при зовнішньому терті, так і при різанні (яке представляє собою сукупність пружно-пластичних деформацій, процесів тертя і зношування контактних ділянок), поверхневі шари твердих тіл безперервно підлягають пружно-пластичним деформаціям, а кристалічна гратка викривляється. В результаті руху і взаємодії дислокацій утворюються різного виду дефекти, які сприяють дифузії водню в глибину металу. Однак інформації про вплив водню на силу тертя, інтенсивність зношування приповерхневих шарів інструментальних матеріалів дуже мало. Тому дослідження впливу водню на зміну зовнішніх характеристик тертя, встановлення закономірностей і механізмів зношування інструментальних матеріалів є актуальними проблемами сучасної трибології.

Безперечно, актуальним буде і розширення кола робіт з проблеми водневодифузійної обробки конструкційних матеріалів, так як кількість досліджень з даної тематики незначна, механізми підвищення зносостійкості ряду інструментальних матеріалів і оброблюваності сталей з різним комплексом механічних властивостей недостатньо вивчені.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з виконанням перспективного плану науково-дослідної роботи викладачів Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, сформульованим у Постанові Верховної Ради України № 2705 від 16.10.92. Дослідження виконувались також на замовлення виробничого об'єднання “Чернівцілегмаш” (м. Чернівці) та ВО “Новатор” і “Термопласт-автомат” (м. Хмельницький), заводу “Електроприлад” (м. Кам'янець-Подільський) у рамках госпдоговірних робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження впливу наводнювання на закономірності і механізми зношування інструментальних матеріалів і на цій основі розробка технологій отримання водневомістких покриттів для зміни фізико-механічної та фізико-хімічної ситуації в зоні різання в присутності газоподібного водню. Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні завдання:

1. Розробити методику проведення дослідів на тертя та зношування інструментальних матеріалів на повітрі і в середовищі газоподібного водню.

2. Дослідити вплив наводнювання на основні триботехнічні характеристики інструментальних матеріалів.

3. Встановити мікромеханізми руйнування поверхневих шарів інструментальних матеріалів при терті на повітрі і в середовищі водню.

4. Провести дослідження в області пригнічення водневого зношування твердосплавного інструментального матеріалу.

5. Сформулювати концепцію можливості підвищення зносостійкості інструмента і оброблюваності конструкційних матеріалів при зміні фізико-хімічної і фізико-механічної ситуації в зоні обробки різанням.

6. Розробити технологію виготовлення “інструмента-акумулятора” водню і обґрунтувати вибір його схеми.

7. Дослідити характеристики процесу різання конструкційних матеріалів з допомогою “інструмента-акумулятора”. Дати наукове обґрунтування впливу водню на фізико-механічні та фізико-хімічні зміни в зоні обробки конструкційних сталей.

8 Провести експериментальні дослідження розподілу контактних навантажень на поверхні інструмента під впливом водню для підтвердження результатів теоретичних розрахунків.

9. Розробити рекомендації з використання інструментальних матеріалів при воднево-дифузійній обробці.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Встановлені закономірності зміни основних триботехнічних характеристик інструментальних матеріалів, що підлягали випробуванням у воднево-повітряному середовищі. Встановлені механізми зношування інструментальних матеріалів на повітрі і в середовищі водню у відповідному діапазоні варіювання факторами - навантаженням та швидкістю.

2. Проведено прямий якісний і кількісний аналіз складу поверхневих шарів тертя контактної зони пари тертя швидкорізальна сталь - сталь ХВГ з використанням сучасних фізичних методів локальних досліджень при випробуваннях на повітрі та в середовищі газоподібного водню. Показано формування в цій зоні специфічних легованих воднем структур системи Ме-О-Н, які суттєво підвищують зносостійкість швидкорізальної сталі.

3. Розроблена наукова концепція забезпечення працездатності та підвищення зносостійкості інструментальних матеріалів шляхом зміни фізико-механічної і механо-фізичної ситуації в зоні різання конструкційних матеріалів.

4. Розроблено новий спосіб подачі водню в зону різання для полегшення процесу стружкоутворення, який базується на створенні спеціального “інструмента-акумулятора”, де джерело виконується у вигляді воденьміcткого покриття або гідриду інтерметалічного з'єднання.

5. Теоретично та експериментально обґрунтований вплив водневого середовища на параметри контактної зони при різанні конструкційних матеріалів, окрихчених в процесі їх механо-фізичної взаємодії.

Практичне значення одержаних результатів. Результати триботехнічних випробувань послужили основою для розробки технологічних прийомів підвищення зносостійкості різального інструмента, підвищення продуктивності механічної обробки та покращання оброблюваності конструкційних матеріалів шляхом зміни фізико-хімічної та фізико - механічної ситуації в зоні тертя-різання під впливом водню. Розроблена фізико-математична модель дозволяє оцінити параметри контактної зони на поверхні інструмента з врахуванням наводнювання, тертя і температурно-швидкісного фактора.

На виробничому об'єднанні “Новатор” впровадження “інструментів-акумуляторів”, які працюють за технологією водневодифузійної обробки при виконанні різних технологічних операцій дозволило підвищити продуктивність обробки на 30…40%, а стійкість інструментів в 2…3 рази.

Особистий внесок здобувача. Представлені в дисертації наукові та практичні результати отримані автором самостійно. Постановка задач і обговорення результатів проведені з науковим керівником і частково з співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Результати доповідались на: науковій конференції “Наукові праці молодих вчених та студентів” (Київ, ДАЛПУ,1997 р.); Міжнародній конференції “Водородное материаловедение и химия гидридов металлов” (Ялта, 1999 р.), ХХV науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу за підсумками науково-дослідної роботи (Хмельницький, 1999 р.), наукових семінарах Технологічного університету Поділля (Хмельницький, 1998-1999 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в п'ятьох статтях, двох тезах доповідей наукових конференцій, одному патентові на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатку. Загальний обсяг дисертації становить 165 сторінок, в тому числі 52 рисунка, 28 таблиць і 216 найменувань літературних джерел. Основна частина роботи містить 149 сторінок машинописного тексту.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджень і приводиться її анотація.

У першому розділі виконано короткий огляд одного з розповсюджених явищ пошкоджуваності матеріалів - водневої крихкості. Проведено класифікацію видів та аналіз існуючих теорій водневої крихкості. Аналіз наукових праць ряду вчених з проблеми водневого зношування показав, що при фрикційній взаємодії в воденьмісткому середовищі на активованій тертям поверхні протікають складні фізико-хімічні процеси. Встановлено, що в залежності від хімічного складу матеріалів пари тертя, часу та умов процесу, концентрації водню і температури відбувається прискорення зношування матеріалів або його гальмування. Крім того, було виявлено відсутність даних щодо впливу водневого середовища на трибологічні характеристики інструментальних матеріалів. Проаналізовано основні причини і механізми руйнування інструмента і оснастки із швидкорізальної сталі, а також існуючі методи підвищення стійкості різального інструмента. Розділ закінчується постановкою мети роботи та задач, які необхідно розв'язати для її досягнення.

У другому розділі викладені основні методичні аспекти роботи. Як об'єкти досліджень було використано інструментальні матеріали: швидкорізальна сталь Р6М5, тверді сплави ВК6М, Т5К10, які виготовлялись і оброблялись за стандартними технологіями методами литва і порошкової металургії. Оцінку трибологічних характеристик проводили на універсальній машині тертя УМТ-2168 за схемою навантаження диск - палець.

Дослідження параметрів процесу різання і контактних напружень на поверхні інструмента проводили на токарному верстаті мод. 1К62М з використанням універсального вимірювального комплексу УДМ-600 і спеціально сконструйованого розрізного різця. Спеціальні покриття на інструментальних матеріалах отримували за допомогою установки іонно-камерно-вакуумної ННВ-6,6-И1 ТУ 16-681 013-84.

Структуру матеріалів і поверхонь тертя вивчали на металографічних мікроскопах МИМ-10 та Neophot-30 фірми “Carl Zeiss”. Рентгеноструктурні дослідження виконували на дифрактометрі “ДРОН-3М”. Фазовий аналіз поверхонь тертя проводили на рентгенівському мікрозонді MS-46 фірми “CAMECA”. Електронну структуру і хімічні зв'язки вивчали за допомогою фотоелектронного спектрометра “Kratos Series 800” (U.K.). Дослідження мікротвердості здійснювалися з використанням приладу ПМТ-3 за стандартною методикою, шорсткість поверхні визначали профілометром мод. 209, дюрометричні вимірювання проводили на аналітичних вагах ВЛР-200 ГОСТ 24104-88. Кількісні експериментальні дані оброблялись за допомогою методів математичної статистики і представлялись графічно.

Третій розділ присвячено експериментальному дослідженню закономірностей зміни основних триботехнічних характеристик і визначенню механізмів зношування інструментальних матеріалів на повітрі та в середовищі газоподібного водню при зміні параметрів навантаження і швидкості відносного переміщення поверхонь тертя.

Проаналізовані основні можливі трибохімічні реакції на контактних ділянках піддослідних інструментальних матеріалів, що відбуваються під впливом оточуючого середовища.

Показано, що в процесі тертя швидкорізальної сталі Р6М5 у воденьмісткій атмосфері відбувається зменшення інтенсивності зношування, коефіцієнта тертя і температури в усьому діапазоні зміни силового та швидкісного факторів.

Мікроструктурні та рентгеноструктурні дослідження показали, що при терті, внаслідок поверхневої локалізації взаємодії твердих тіл, протікають швидкоплинні процеси інтенсивної пружно-пластичної деформації, нагріву, масопереносу і охолодження. Це призводить до утворення на поверхнях тертя неврівноважених структур, властивості яких принципово відрізняються від властивостей вихідних матеріалів. Головну роль у формуванні вказаних неврівноважених структур відіграють активні елементи робочого середовища трибосистеми. В роботі визначено механізми зношування контактуючих поверхонь.

Так, при випробуванні на повітрі на малих швидкостях ковзання (15 м/хв.) в початковий період припрацювання має місце пружно-пластична деформація поверхневого шару зразка, що призводить до утворення сильно здеформованого шару матеріалу, структурні елементи якого орієнтовані і витягнуті в напрямку ковзання. Ця суцільна зона чітко виявляється на металографічних шліфах після травлення і названа “білим шаром”. Вона має структуру мартенситу, карбідів та залишкового аустеніту. Поряд з підповерхневими процесами відбувається зменшення відстані між контактуючими ділянками поверхні і поява металевих зв'язків. При такій швидкості практично не утворюються захисні окисні плівки. Руйнування поверхні відбувається наступним чином: спочатку утворюється металевий зв'язок на окремих ділянках поверхонь тертя, потім подальше переміщення призводить до зміцнення металу в місці утворення зони схоплення, виривання металевих складових і дряпання зміцненим місцем контактних поверхонь. Основна площа поверхні зразка покрита здеформованим неокисленим шаром основного металу з частковим утворенням з нього захисних структур типу Ме₂O₃. Решта площі являє собою механічну суміш матеріалів тіла і контртіла - результат розриву металевих зв'язків з частковим формуванням окислу типу Ме₂O₃. Під поверхнею розташовується “білий шар” і матриця основного матеріалу.

Подальше підвищення швидкості ковзання до 20 м/хв. приводить до суттєвих змін в будові контактної зони: одночасно з протіканням пружно-пластичної деформації металу відбувається прискорення адсорбції кисню поверхнями тертя і дифузії останнього в глибину здеформованих об'ємів. Швидкість процесу окислення стає домінуючою і система виходить на оптимальний режим роботи. На мікрорівні це виражається тим, що поверх деформованого основного металу - “білого шару” лежить шар суцільних вторинних структур (окислів типу Ме₂O₃), утворених із нього. Такий механізм зношування має місце і при подальшому підвищенні швидкості з мінімальним навантаженням. Зі збільшенням швидкості до 25 м/хв. з'являються умови для початку масопереносу елементів контактуючих тіл і кисню з робочого середовища, внаслідок чого на поверхні зразків формується механічна суміш продуктів їх взаємодії, яка після нашаровування і окислення до Ме₂O₃ екранує поверхню від схоплювання. На ще більших швидкостях (до 30 м/хв.) процес масопереносу і наступного окислення інтенсифікується і на макрорівні проявляється в збільшенні інтенсивності зношування і коефіцієнта тертя. Характерною особливістю роботи трибосистеми на повітрі є збереження співвідношення атомних концентрацій кисню з залізом у вторинних структурах системи Ме-О при зміні їх абсолютних значень у межах С_Ме/С_О2/3. Такий механізм зношування має місце і при подальшому підвищенні швидкості з мінімальним навантаженням.

При роботі пари тертя в водневоповітряному середовищі будова контактної зони має свою специфіку. При мінімальних швидкостях і навантаженнях зношування поверхні відбувається переважно шляхом утворення та руйнування металевих зв'язків на окремих ділянках поверхонь, виривання металевих складових і дряпання контактних поверхонь (адгезійне і абразивне зношування). Тому при цьому режимі спостерігаються підвищені значення інтенсивності зношування і коефіцієнта тертя. Зі збільшенням навантаження до 750 Н/мм² процес припрацювання закінчується граничною фрагментацією і зміцненням поверхневих шарів матеріалу, в результаті чого формується тонкий шар захисних вторинних структур нижчих окислів типу МеO, легованих воднем, які добре тримаються матеріалу основи і виступають бар'єром для утворення ювенільних поверхонь при терті. Починаючи з цього режиму, трибосистема входить в оптимальний стан роботи. Будова зони тертя наступна: поверх матриці основного металу формується суцільний шар вторинних захисних структур. Аналіз вторинних структур показав, що останні являють собою нижчі окисли, “леговані” воднем, типу МеO(Н) і моногідроокисли типу МеOН з різною стехіометрією, які несуть основне навантаження. Це забезпечує невисокі значення коефіцієнта тертя і мінімальний знос. Наявність зв'язаного в сполуки з металом водню визначали прямим методом - аналізом вторинних структур на поверхні зразків методом фотоелектронної спектроскопії. На рис. 2 приведені фотоелектронні спектри О( 1s ) і Fe( 2р3/2 ), отримані від стандартних сполук Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe_xO і FeOOH, взятих з робіт В.І. Нефедова та К. Вандельта, а також фотоелектронні спектри, отримані в даній роботі від поверхні тертя. Як бачимо, фотоелектронний спектр від поверхні тертя найбільш подібний до спектра FeOOH, хоча і не повторює останнього. Так, характерною особливістю фотоелектронного спектра О(1s) від поверхні тертя є те, що тут спостерігаються два піки з енергіями 530,6 еВ і 533,4 еВ, а спектр заліза Fe(2р_3/2) має енергію 710,5 еВ. Спектр кисню 1s в усіх окислах знаходився поблизу значення енергії 530,3 еВ, незалежно від способу отримання, стехіометрії та інших особливостей, в той час, як другий пік з енергією, близько 531,5 еВ, належить виключно взаємодії атомів кисню з воднем OН^-. У випадку поверхні тертя фотоелектронний спектр О(1s) також відображає взаємодію атомів заліза з киснем - пік 530,6 еВ, а атомів кисню і водню - пік 533,4 еВ. Різниця в енергіях зв'язку в порівнянні зі стандартним гідроокислом, з нашої точки зору, пояснюється формуванням на поверхні тертя в умовах термомеханічних впливів сполуки, яка відрізняється стехіометрією, дисперсністю та іншими параметрами від стандартного гідрооксиду.

Накопичення моногідроокислів в продуктах зношування і наступний перенос їх на поверхню тертя сприяє мінімізації тертя і зносу в парі, а значне зниження температури на фрикційному контакті при утворенні сполуки стримує перехід МeO (ОН) О(Мe₂O₃). Оптимальний режим для системи зберігається в усьому діапазоні швидкостей ковзання в умовах малих та середніх навантажень. Зі збільшенням навантаження інтенсивність зношування починає повільно підвищуватись. В роботі показано зв'язок між ростом товщини плівок вторинних структур на контактних поверхнях та швидкістю зношування. Так, з ростом товщини плівки збільшуються сили пружності в ній і на границі між основою. При деякій товщині проходить втрата стійкості, наступають миттєві зміщення і плівка стає крихкою.

Встановлено, що концентрація О+Н в легованих воднем вторинних структурах Ме-О-Н корелює з концентрацією в них заліза: при зміні абсолютних значень співвідношення атомних концентрацій зберігається близьким до С_Ме/С_О+Н1/1.

Досліджено вплив воденьмісткого середовища на трибологічні параметри при випробуванні твердосплавних матеріалів груп ТК і ВК, проаналізовано основні можливі трибохімічні реакції в зоні тертя. Результати випробувань свідчать про те, що в середовищі газоподібного водню для різних співвідношень вхідних параметрів спостерігається зниження величини коефіцієнта тертя і підвищення інтенсивності зношування. Особливістю процесу є те, що початок прискореного зносу спостерігається не одразу, а через певний проміжок часу. В роботі показано, що відповідальним за таку поведінку матеріалу є гідрофільний стан поверхневого шару.

У четвертому розділі розглянута концепція підвищення зносостійкості різального інструмента і продуктивності механічної обробки за рахунок використання потужного водневого впливу. Крім підвищення зносостійкості інструмента, в роботі ставилося завдання вирішення проблеми покращання оброблюваності матеріалів, особливо важкооброблюваних сталей та сплавів, що дають зливну стружку.

Враховуючи важливість зміни фізико-хімічної та механо-фізичної ситуації в зоні тертя та різання під дією водню, в роботі проведено пошук джерел водню, що відповідають умовам невисокої вартості, безпеки в експлуатації, тривалості використання та високої швидкості водневіддачі з можливістю підзарядження.

Запропоновано дві принципові схеми “інструментів-акумуляторів”, з яких в процесі роботи здійснюватиметься подача водню в зону стружкоутворення, що складаються з інструмента і акумулятора водню - гідриду металу або інтерметалічної сполуки. Розроблено технології виготовлення “інструментів-акумуляторів” за вказаними схемами. Покриття наноситься на різальний інструмент в два етапи: спочатку хімічним методом наноситься захисний бар'єрний шар на основі хрому, потім наноситься шар титану товщиною 100…200 мкм з наступним наводнюванням: шляхом електролітичного насичення; в атмосфері очищеного водню при температурі 600⁰ С до повного насичення; шляхом занурення на 3…5 хвилин в розчин соляної кислоти, в результаті чого утворюється гідрид титану. Особливістю розробленого комплексного покриття є те, що процес дисоціації з нього водню починається при температурі 473⁰ К, а виділений водень не має можливості проникати в матеріал твердосплавного інструмента і впливати на його фізико-механічні властивості, а транспортується в зону максимальних напружень і високих температур. На рис.4б показана схема подачі водню з високоємних акумуляторів водню - гідридів інтерметалічних сполук, що вибираються в залежності від умов роботи. Виділення газу виконується шляхом температурної дисоціації.

Дослідження ефекту водневого окрихчення оброблюваних матеріалів з метою підвищення зносостійкості робочих поверхонь і продуктивності механічної обробки проводили при поздовжньому точінні на матеріалах, які відрізняються за хімічним складом і структурою: сталь Ст.3; нержавіюча сталь 03Х18Н10Т; легована конструкційна сталь 40Х в стані поставки і термічно-зміцненому стані (покращена); жароміцний сплав ХН35ВТЮ. Результати деяких досліджень наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Відносна зміна деяких характеристик процесу різання матеріалів “інструментом-акумулятором” в порівнянні зі звичайним інструментом

За даними випробувань встановлено зв'язок між ефектом, викликаним водневодифузійною обробкою і властивостями конструкційних сталей: чим вищі міцність сталі та ступінь її легування і чим гірше вона піддається обробці різанням, тим ефективніша дія водню. Крім того, результати аналізу мікротвердості поверхні інструмента з швидкорізальної сталі при роботі на оптимальних швидкостях в середовищі водню показали, що вона підлягає водневофазовому наклепу. Мікротвердість робочої поверхні підвищується в 1,6 рази у порівнянні з мікротвердістю інструмента в стані поставки, чого не спостерігається в умовах різання на повітрі. Це свідчить про однотипність механізмів підвищення зносостійкості поверхонь інструмента при різанні та поверхонь зразків, випробуваних шляхом моделювання на універсальній машині тертя.

Значне зменшення температури в зоні різання дає можливість інтенсифікувати режими механічної обробки і тим самим підвищувати продуктивність праці.

Аналіз характеру взаємодії процесів, які мають місце в зоні різання при водневодифузійній обробці матеріалів, показав, що в області оптимальної швидкості забезпечується раціональний стружковідвід за рахунок зміни механізму стружкоутворення. Для пояснення механізмів руйнування матеріалів під дією водню в роботі було проведено серію дослідів при ортогональному різанні сталі Ст. 3 інструментом із Р6М5 зі зміненою фізико-механічною ситуацією в зоні обробки і дослідів на розтяг попередньо наводнених зразків з використанням методу акустичної емісії. Результати розрахунків і візуальних спостережень говорять про те, що матеріал руйнується крихко при меншому навантаженні, розрив міжатомних зв'язків і структурних елементів супроводжується зменшенням зусиль руйнування та збільшенням сплесків значень сигналів акустичної емісії в зоні стружкоутворення.

П'ятий розділ присвячено аналізу напружено-деформованого стану поверхні різального інструмента. Представлено фізико-математичну модель впливу водню, що дисоціює з поверхні інструмента, на процеси в зоні стружкоутворення і здійснена її експериментальна перевірка.

Процес водневодифузійної обробки в теоретичних дослідженнях розглядається як стаціонарний режим при умові існування постійного джерела газоподібного водню, вплив інших середовищ не враховується. Завдяки тому, що швидкість дифузії водню в метал відповідна швидкості різання, фізичну модель водневодифузійної обробки можна уявляти у вигляді водневої хмари попереду різального клина, а зміна фізичних процесів відбувається в зоні її дії. Якщо різання проводиться твердосплавним інструментом, то швидкість дифузії водню (_диф=1…1,5 м/с) менша швидкості різання (_різ=1,5…3 м/с), тому водень не може проникнути в зону площини зсуву елемента стружки і діє тільки на стружку. При різанні інструментом з швидкорізальної сталі _диф і _різ досягають однакової величини (1…1,2 м/с, тому воднева хмара може впливати на зону первинної деформації і окрихчувати її. Опис процесу термодифузії водню грунтується на відомому лінійному рівнянні масопереносу:

J= -D₁ dC₁/dx - ₁ d/dx, (1)

де J - потік речовини; D₁ - коефіцієнт дифузії водню; dC₁/dx - градієнт концентрації С₁ в напрямку переносу х; d/dx -градієнт температури; ₁-коефіцієнт пропорційності; ₁=D₁Q₁C₁/R₁₁ (R - газова постійна, -температура процесу). Параметр Q₁ -так звана “теплота переносу”-оцінюється експериментально і визначає знак та величину термодифузійного ефекту. В основі цього ефекту лежить той факт, що для водню частота міграцій атомів у високотемпературну зону вища, ніж у низькотемпературну, тобто розчинений в металі водень концентрується в найбільш гарячій області.

Потік водню під дією градієнта напружень:

I= -D₁[(dC/dx - C(V/3R )(d/dx))], (2)

де V - парціальний молярний об'єм розчиненого водню; = _xxyyzz - сумарні напруження.

Зміна опору деформуванню:

, (3)

де - ступінь деформації; - швидкість деформації; - опір деформуванню.

Напруження руйнування при наявності водню в металі:

, (4)

де _сm - статичне напруження в металі під впливом водню, (=10³ МПа - тиск молізованого в дефекті металу водню; - площа поверхні дефекту; n - кількість дефектів; - динамічне напруження в металі, ; P_Z - сила різання; - енергія адсорбованої поверхні; Е - модуль пружності.

Концентрація водню в металі оцінюється співвідношенням:

або , (5)

де - воднепроникність матеріалу, - питома вага.

Максимальна глибина проникнення водню в метал оцінюється або за формулою:

y_m = D₁/kTE_Bp/30b, (6)

де Е_в - енергія зв'язку з дислокацією (Е_в для водню складає десяті долі еВ);

к - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура; b - вектор Бюргерса; _р- тривалість пластичної деформації (тому що, на нашу думку, основним транспортером водню в глибину металу є дислокації, і ефективність транспортування водню таким шляхом значно вища граткової дифузії. Зустрічаючи на своєму шляху різного роду дефекти (пори, мікропустоти тощо), дислокації звільняються від водню, який концентрується біля включень); або за формулою:

, (7)

де - коефіцієнт інтенсивності напружень.

Механізм руйнування матеріалу воднем базується на молізації атомарного водню в дефектах кристалічної гратки, послаблює границі кристалів і знижує сили зчеплення на площинах спайності, виникають умови для утворення перенапружених зон, що призводить до зародження підповерхневих тріщин, зниження механічних характеристик оброблюваного матеріалу і полегшення процесу стружковідводу.

Розроблена математична модель на базі методу скінчених елементів дає можливість оцінювати величину та характер розподілу контактних напружень на поверхні різального інструмента з врахуванням зміни механічних властивостей оброблюваного матеріалу під дією температурно-швидкісного фактора. Перевірка отриманих результатів проводилась шляхом порівняння розрахункових значень параметрів контактної зони з експериментальними даними при точінні сталей Ст. 3 та 20 розрізним твердосплавним різцем Т5К10 і показала задовільну відповідність розробленої моделі реальному процесу.

Висновки

1. Досліджено закономірності тертя та зношування інструментальних матеріалів в середовищі газоподібного водню. Встановлено, що процес зношування швидкорізальної сталі Р6М5, твердих сплавів груп ВК і ТК на повітрі і у водневому середовищі характеризується існуванням для них деяких діапазонів мінімальних сил тертя і інтенсивностей зношування, обумовлених утворенням дисипативної структури.

2. Встановлені чіткі розбіжності в мікромеханізмах зношування зразків швидкорізальної сталі Р6М5 при випробуваннях на повітрі і у водневоповітряній атмосфері. Показано, що на повітрі еволюція пружно-пластичної деформації контактної зони в період припрацювання призводить до утворення “білого шару” (сильно здеформованого шару основного матеріалу), структура якого представляє собою мартенсит, карбіди і залишковий аустеніт.

3. Встановлено формування на поверхні тертя, легованих воднем, субмікроскопічних плівок вторинних захисних структур типу МеО-(Н) та МеОН, товщиною порядку 1-2 мікрометрів, які екранують матеріал від механічної і фізико-хімічної деструкцій, що постійно утворюються шляхом циклічної динамічної рівноваги і саморегулювання процесів трибоактивації і пасивації в усьому діапазоні зміни фактора навантаження - швидкості. Відмічено, що концентрація (О+Н) у вторинних структурах, утворених в середовищі водню, корелює з концентрацією в них заліза: при зміні їх абсолютних значень співвідношення атомних концентрацій Ме і (О+Н) зберігається близьким до С_Ме/С_О+Н1/1, в той час, як у структурах, отриманих на повітрі, співвідношення атомних концентрацій Ме і О зберігається близьким до С_Ме/С_О2/3.

4. Підтверджена можливість забезпечення високої працездатності різального інструмента, підвищення продуктивності механічної обробки та покращання оброблюваності конструкційних матеріалів за рахунок зміни фізико-хімічної і фізико-механічної ситуації в зоні обробки під впливом газоподібного водню. Представлено дві принципові схеми подачі водню в зону тертя-різання з поверхневих шарів нанесеного на різальний інструмент гідридного покриття та акумуляторів водню. Розроблені технології нанесення воденьмістких покриттів на поверхню різальних інструментів та застосування акумуляторів водню з метою підвищення продуктивності механічної обробки.

5. Відмічено двояку дію водню на поведінку швидкорізальних і твердосплавних інструментальних матеріалів при випробуваннях на тертя та зношування, що проявляється в підвищенні зносостійкості швидкорізальних сталей і в інтенсивному зношуванні твердосплавних матеріалів груп ВК і ТК, обумовлених окисно-відновлюючою та дифузійною здатністю водню при певних температурно-силових режимах випробування. Для захисту поверхні твердосплавного інструментального матеріалу від прискореного зношування запропоновано використовувати бар'єрний шар спеціального покриття на основі хрому.

6. Експериментальна перевірка працездатності “інструментів-акумуляторів” в умовах експлуатації показала, що робота інструментом марки Р6М5 підвищує зносостійкість до трьох разів, оптимальну швидкість на 35%. Робота твердосплавним інструментом забезпечує зменшення зносу до трьох разів при збільшенні оптимальної швидкості на 36%.

7. На основі аналізу результатів експериментів із ортогонального різання і розтягу зразків із сталі Ст.3 з використанням методу акустичної емісії та візуального спостереження виявлено зміни в механізмах стружкоутворення і руйнування під впливом водню.

8. Розроблена фізико-математична модель, що дозволяє оцінити вплив наводнювання на параметри контактної зони при обробці матеріалів різанням. Експериментальні дослідження, проведені за допомогою розрізного різця, показали зменшення величини контактних напружень, довжини ділянки контакту інструмента і стружки та ступеня пластичної деформації зрізаного шару, що, в свою чергу, сильно впливає на характеристики зносостійкості і контактної міцності інструмента.

9. Аналіз характеру взаємодії процесів, які відбуваються в зоні стружкоутворення, підтвердив гіпотезу, що використання водню дозволяє керувати процесами механічної обробки різанням конструкційних матеріалів за рахунок раціонального стружковідводу, підвищення стійкості і надійності інструмента і зміни температурно-силових полів в зоні різання.

Список опублікованих праць

1. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А., Грипачевский А.Н., Тихонович В.В. Износостойкость инструментальных материалов в среде газообразного водорода //Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2000. - № 1. - С. 61 - 66.

2. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А., Бысь С.С. Водородное изнашивание. Проблемы и реальность//Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 2000. - № 1. - С. 94-99.

3. Гладкий Я.М., Бурлаков А.А., Ковтун І.І. Дослідження фізико-механічних властивостей конструкційної сталі Ст3 під впливом водню з використанням методу акустичної емісії // Вісник Технологічного університету Поділля. - 1997. - № 1.-С. 22-26.

4. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А. Повышение работоспособности режущего инструмента за счет нанесения специальных покрытий на его поверхность //Проблеми трибології (Problems of Tribology). - 1998. - № 1. - С. 118-120.

5. Определение температур и контактных нагрузок на поверхностях режущего инструмента. /Р.И. Силин, Я.Н. Гладкий, Н.П. Мазур, А.А. Бурлаков //Актуальні проблеми техніки та суспільства: Зб. статей викладачів та наукових співробітників ТУП. - Хмельницький: ТУП. - 1996. - Вип. 2. - С. 84-90.

6. Патент України №23912 А від 31.08.98. Спосіб підвищення стійкості ріжучого інструменту та оброблюваності конструкційних матеріалів //Р.І. Сілін, Я.М. Гладкий, А.А. Бурлаков, В.О. Остаф'єв.

7. Гладкий Я.Н., Бурлаков А.А., Антонова М.М. Использование гидридов интерметаллических соединений для повышения работоспособности режущего инструмента и обрабатываемости конструкционных материалов / Тез. докл. междунар. конф. - Ялта, 1999. - С. 264-265.

Размещено на Allbest.ru