Микролегирование азотом поверхностей конструкционных материалов при финишных методах обработки инструментами на основе кубического нитрида бора

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИКРОЛЕГИРОВАНИЕ АЗОТОМ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ФИНИШНЫХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАМИ НА ОСНОВЕ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА

А.В. Тотай, О.А. Горленко,

В.П. Федоров, А.Н. Прокофьев

Аннотация

массоперенос обработка прецизионный азот

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований явления массопереноса при обработке сталей и чугунов резцами из композита 10. Установлен эффект насыщения поверхностного слоя азотом, что расширяет возможности технологического управления периодом приработки прецизионных пар трения.

Ключевые слова: оже-спектроскопия, диффузия химических элементов, композиционные сверхтвердые материалы, субструктура поверхности, микролегирование, кубический нитрид бора.

Основная часть

Химический состав поверхностного слоя, наряду с деформационными, структурными, микрогеометрическими и другими параметрами, в значительной степени определяет работоспособность и долговечность деталей машин в различных условиях эксплуатации. Но в подавляющем большинстве исследований речь идет о химическом составе всего объема конструкционного материала детали или образца. Что же касается возможного изменения химического состава поверхности в процессе механической обработки, то этот вопрос остается наименее изученным.

На химический состав так называемых вторичных структур поверхностного слоя в процессе механической обработки оказывают влияние следующие основные физические факторы:

1) диффундирование некоторых химических элементов из инструментального материала в матрицу конструкционного;

2) адсорбция элементов режущего инструмента под действием значительных температурных градиентов в поверхностном слое;

3) адгезия микрочастиц материала на режущий инструмент и «размазывание» [1] их по обрабатываемой поверхности;

4) «микрометаллургические» процессы, протекающие при «размазывании» микро-включений по обрабатываемой поверхности при высоких локальных температурах;

5) адсорбция элементов, входящих в СОТС.

Как показывают исследования Б.В. Дерягина, П. Л. Грузина, Т.Н. Лоладзе, И.М. Любарского и других, наиболее существенное влияние на изменение химического состава поверхностных слоев оказывают диффузионные процессы.

В настоящее время существуют в основном две физические модели диффузии твердых тел: гетеродиффузия и реактивная диффузия. Первый вид характеризуется образованием твердого раствора с решеткой растворителя. Максимальная концентрация диффундирующего вещества в металле, играющем роль растворителя, не может превышать предельную концентрацию согласно диаграмме состояния. По второй модели химическая реакция может произойти с образованием интерметаллического соединения на границе раздела контактирующих тел. Известно, что диффузия молекулы химического соединения в решетку металла невозможна. В металле диффундируют атомы, получившиеся в результате диссоциации этих соединений. Поэтому при диффузионном растворении инструментального материала в обрабатываемом необходимо рассматривать диффузию входящих в сплав химических элементов.

Количество вещества dM компонента В, выраженное в молях массы вещества, продиффундировавшее в компонент А, определяется уравнением

где D - коэффициент диффузии; dc/dx - градиент концентрации в какой-либо точке; dS - элементарная площадь, через которую происходит диффузия; dt - время диффузии.

Важнейшим параметром, характеризующим диффузию, является коэффициент диффузии D, который определяется из соотношения

(1)

где D₀ - предэкспоненциальный множитель, который соответствует коэффициенту диффузии при температуре, равной бесконечности; Q - энергия активации, отнесенная к молю твердого раствора; R - газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К); И - температура диффузии, К.

Из теории диффузии известно [2], что энергия активации уменьшается с увеличением разности порядковых номеров диффундирующего вещества и растворителя в периодической системе элементов. Это объясняется более интенсивным искажением силовых полей при резком отличии природы растворенного элемента от природы растворителя, что и облегчает процесс диффузии.

Вторым фактором, определяющим коэффициент диффузии, является температура, которая при заданных конструкционных материалах целиком определяется условиями технологического воздействия на обрабатываемую поверхность. Как видно из формулы (1), с увеличением температуры коэффициент диффузии увеличивается по экспоненциальной зависимости.

Что касается количественной оценки промежутков времени t_д, необходимых для реализации микродиффузионных процессов, то для прикладных расчетов предложена следующая зависимость[3]:

где L_д - протяженность пути диффузии.

Анализ этого соотношения позволяет убедиться, что для диффундирования вещества на глубину от нескольких сотен до нескольких тысяч ангстрем требуются весьма малые временные промежутки - от 10^-4с и менее. Это свидетельствует о том, что даже при вы-сокоскоростных технологических процессах время диффузии может быть соизмеримо с временем контакта инструмента с элементарной площадкой поверхности заготовки.

Одним из современных способов оценки элементного состава поверхностей материалов считается метод электронной оже-спектроскопии (ЭОС) [4;5]. В основе ЭОС лежат процессы ионизации внутренних атомных уровней первичным электронным пучком и выход оже-электрона в вакуум, где он регистрируется при помощи электронного спектрометра. Физическая картина оже-процесса выглядит следующим образом: падающий электрон с достаточно большой энергией выбивает электрон с внутреннего уровня, а образовавшаяся вакансия мгновенно заполняется другим электроном.

Энергия при таком переходе может освобождаться в виде характеристического рентгеновского излучения или передаваться другому электрону, находящемуся на другом уровне. Этот электрон выходит в вакуум и регистрируется как оже-электрон. Работа выхода такого электрона имеет строго определенный, довольно узкий диапазон, характеризующий конкретный химический элемент. Из этого пояснения следует, что для оже-процесса нужны по крайней мере два энергетических уровня и три электрона, поэтому в атомах водорода и гелия оже-электроны возникать не могут.

Исследования проводились на электронном спектрометре типа ЭСКАЛАБ-МК-11 английской фирмы «ВиДжи». Данный спектрометр позволяет анализировать химический состав поверхности на глубине в несколько десятков ангстрем. Возможно определение содержания всех элементов (кроме, естественно, водорода и гелия).

Исследовались образцы сегментного типа, отрезанные от цилиндрических дисков электроэрозионным способом. Размер образцов в плане не превышал 10x10 мм, высота - не более 2 мм. Требования по габаритам определены условиями работы электронного спектрометра. Сравнивались химический состав поверхности, подвергнутой той или иной механической обработке, и химический состав подложки образца, который считался адекватным составу основной массы материала.

Для предварительной очистки поверхности от случайных адсорбированных примесей образцы промывали в ацетоне, а затем подвергали длительному травлению ионами аргона при давлении порядка 10^-6 Па в подготовленной камере спектрометра. После ионной очистки поверхности образцы перемещали в рабочую камеру спектрометра при давлении менее 10^-10 Па. Подготовка образцов и их исследование полностью исключали случайное загрязнение поверхности.

Анализ заключался в получении спектров оже-электронов от обеих поверхностей образца для определения относительного обогащения (обеднения) поверхности после механической обработки по сравнению с объемом. Запись спектров проводили при ускоряющем напряжении 3 кВ, напряжении модуляции 4 эВ, скорости развертки 10 эВ/с от различных микроучастков диаметром порядка 10 мкм на поверхности образцов. Запись спектров и количественные расчеты проводили на ПЭВМ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Типичные оже-спектры поверхности закаленных образцов из стали 65Г: а - основа; б - поверхность, обработанная композитом 10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Типичные оже-спектры поверхности образцов из высокопрочного чугуна: а - основа; б - поверхность, обработанная композитом 10

На рис. 1 и 2 приведены типичные оже-спектры, снятые с исходных и обработанных поверхностей стальных и чугунных образцов соответственно. Из химического состава поверхностных слоев видно, что в исходной поверхности как стали, так и чугуна азот не обнаружен. После обработки в режиме чистового обтачивания резцами из композита 10 (t = 0,3 мм; S = 0,08 мм/об; V = 220 м/мин; без СОТС) в оже-спектрах наглядно видно присутствие азота, который является одним из основных компонентов композитов на базе кубического нитрида бора. Этот факт свидетельствует об активном процессе диффундирования, происходящем на площадках контакта инструмента с образцом в процессе обработки. На рис.3-8 приведены типовые диаграммы и гистограммы, выдаваемые печатающим устройством ЭВМ после исследования каждого образца, на которых показаны соотношения всех химических элементов в поверхностном слое, отдельно процентное соотношение примесей, а также обогащение или обеднение поверхности химическими элементами после механической обработки.

Сравнивая диаграммы на рис. 3 и 6, можно заметить, что процесс диффундирования азота в чугун проходит более интенсивно, чем в сталь, за счет большей активной площади железной основы, контактирующей с графитными включениями. Гистограммы на рис.5 и 8 также подтверждают этот вывод. Здесь количество вещества «С» выдается после расчета по зависимости (С_пов - С_осн)/С_осн.

Рис. 3 Соотношение основных химических элементов на поверхности закаленной стали 65Г после точения резцами из композита 10

Рис. 4 Соотношение различных примесей на поверхности закаленной стали 65Г после точения резцами из композита 10

Рис. 5 Гистограмма обогащения (обеднения) химическими элементами поверхности закаленной стали 65Г после точения резцами из композита 10

Рис. 6 Соотношение основных химических элементов на поверхности чугуна после точения резцами из композита 10

Рис. 7 Соотношение различных примесей на поверхности чугуна после точения резцами из композита 10

Рис. 8 Гистограмма обогащения (обеднения) химическими элементами поверхности чугуна после точения резцами из композита 10

Отсутствие бора в химическом составе поверхностного слоя после обработки композитом 10 достаточно хорошо объясняет график, приведенный на рис. 9. В полулогарифмической сетке даны зависимости коэффициентов диффузии азота и бора от температуры (К) процесса. Точка пересечения прямых коэффициентов диффузии азота и бора соответствует приблизительно 1100 К (~830°С), и до этой температуры теоретический анализ показывает очевидные преимущества процесса диффундирования азота. Это обстоятельство косвенным образом позволяет сделать еще один важный вывод: температура контакта «задняя грань резца - обработанная поверхность» не превышала 830 °С при заданных условиях обработки.

Рис. 9. Расчетные значения коэффициентов диффузии азота и бора в альфа-железе в зависимости от температуры

Рис. 10 Зависимость процентного содержания азота в примесях поверхностного слоя от скорости точения

На рис.10 показана зависимость процентного содержания азота в примесях поверхностных слоев стальных и чугунных образцов от скорости чистового точения. С увеличением скорости обработки процент содержания азота растет, что объясняется ростом температуры и соответственно коэффициента диффузии. Абсолютная величина процентного содержания азота в поверхностных слоях чугунных образцов уступает соответствующим значениям в сталях из-за большего количества легирующих химических элементов в структуре чугуна.

Проведенные исследования позволили теоретически доказать и экспериментально подтвердить возможность микролегирования азотом тонких поверхностных слоев чугунных и стальных деталей при обработке инструментами из сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора.

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании операционных технологических процессов изготовления цилиндрических соединений высоких квалитетов точности, работающих в условиях трения, с целью минимизации периода приработки.

Список литературы

1. Сулима, А.М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / А.М. Сулима, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодкин. М.: Машиностроение, 1988. 240с.

2. Хенней, Н. Химия твердого тела / Н. Хенней. М.: Мир, 1971. 223 с.

3. Любарский, И.М. Металлофизика трения / И.М. Любарский, Л.С. Палатник. М.: Металлургия, 1975. 176 с.

4. Методы анализа поверхностей / под ред. А. Задерны. М.: Мир, 1979. 582 с.

5. Тотай, А.В. Технологическое обеспечение физико-химических свойств поверхностного слоя деталей машин / А.В. Тотай // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. №9. с. 8-11.

Размещено на Allbest.ru