Исследование элементного состава поверхностного слоя твердосплавной пластины при сверхскоростном затачивании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Омский государственный технический университет

Исследование элементного состава поверхностного слоя твердосплавной пластины при сверхскоростном затачивании

Д.С. Реченко, А.Ю. Попов,

Ю.В. Титов, Д.Г. Балова

Аннотация

В процессе обработки материалов резанием, возникает контакт обрабатываемого и инструментального материалов, что приводит к диффузии материалов, а также к физическому массопереносу. Результатом данных процессов является внедрение элементов инструментального материала в поверхность обрабатываемого материала. Данный эффект наблюдается при шлифовании твердосплавного инструмента алмазным шлифовальным инструментом, при этом повышение скорости обработки интенсифицирует этот процесс. Исследования изменения элементного состава твердосплавного инструмента при шлифовании показывает изменение массового состава элементов и присутствие новых элементов, вводимых с инструментального материала, что может способствовать механической имплантации требуемых элементов.

Ключевые слова: металлорежущий инструмент, обработка, качество.

В процессе взаимодействия двух твердых тел возникает так называемое явление переноса элементов, в результате которых в физической системе происходит пространственный перенос вещества.

В твердых кристаллических телах положения атомов фиксированы в узлах кристаллической решетки, однако, и в этом случае блуждание отдельных атомов вещества (миграция) вполне возможно, хотя и происходит менее интенсивно, чем в жидкости или газе.

Явления переноса - необратимые процессы пространственного переноса массы, импульса, энергии или др. Причины этих процессов - пространственные неоднородности состава тела, скорости движения частиц системы, температуры. Перенос происходит в направлении, обратном градиенту концентрации, температуры или др., что приближает систему к равновесию.

Перенос массы (диффузия) происходит при наличии в системе градиента концентрации. Строго говоря, движущей силой диффузии является градиент химического потенциала, который лишь вблизи положения равновесия приводится к градиенту концентрации, фигурирующему в уравнении закона Фика.

Первый закон диффузии Фика - количество вещества dM, продиффундировавшее за время dt через элемент поверхности dS, пропорционально градиенту концентрации dC/dx:

Закон Фика справедлив для малых концентраций диффундирующего вещества, далеких от концентрации насыщения.

При существенных градиентах температуры и давления необходим учет дополнительного потока массы вследствие градиентов температуры (термодиффузия) и градиентов давления (бародиффузия), а также учет дополнительного потока теплоты, вызванного переносом массы.

Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твёрдых телах, причём диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы (самодиффузия).

Самодиффузия, частный случай диффузии в чистом веществе или растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества. При самодиффузии атомы, участвующие в диффузионном движении, обладают одинаковыми химическими свойствами, но могут различаться по своим физическим характеристикам (составом атомного ядра). При различии изотопного состава вещества за процессом самодиффузии можно наблюдать, применяя радиоактивные изотопы или анализируя изотопный состав при помощи масс-спектрометров. Изменение концентрации данного изотопа в рассматриваемом объёме вещества в зависимости от времени описывается обычными уравнениями диффузии, а скорость процесса характеризуется соответствующим коэффициентом самодиффузии. Диффузионные перемещения частиц твёрдого тела могут приводить к изменению его формы и к другим явлениям, если на образец длительно действуют такие силы, как поверхностное натяжение, сила тяжести, упругие силы, электрические силы и т. д.

Смещение частицы меняется со временем случайным образом, но средний квадрат его `L2 за большое число столкновений растёт пропорционально времени t. Коэффициент пропорциональности D в соотношении: `L2 ~ Dt называется коэффициентом диффузии. Это соотношение, полученное А. Эйнштейном, справедливо для любых процессов диффузии.

В твёрдом теле могут действовать несколько механизмов диффузии: обмен местами атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т. д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов замещения, второй - твёрдых растворов внедрения. инструментальный обработка материал резание

Коэффициент диффузии в твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и других воздействиях. Увеличение числа дефектов (главным образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента диффузии, для которого в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры.

Для большинства научных и практических задач существенно не диффузионное движение отдельных частиц, а происходящее от него выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднородной среде. Из мест с высокой концентрацией уходит больше частиц, чем из мест с низкой концентрацией. Через единичную площадку в неоднородной среде проходит за единицу времени безвозвратный поток вещества в сторону меньшей концентрации - диффузионный поток j. Он равен разности между числами частиц, пересекающих площадку в том и другом направлениях, и потому пропорционален градиенту концентрации СС (уменьшению концентрации С на единицу длины). Эта зависимость выражается законом Фика:

Единицами потока j в Международной системе единиц являются 1/м²·сек или кг/м²·сек, градиента концентрации - 1/м⁴ или кг/м⁴, откуда единицей коэффициента диффузии является м²/сек. В основе диффузионного явления лежит механизм молекулярного переноса массы.

Диффузия возникает не только при наличии в среде градиента концентрации (или химического потенциала). Под действием внешнего электрического поля происходит диффузия заряженных частиц (электродиффузия), действие поля тяжести или давления вызывает бародиффузию, в неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия. В процессе затачивания взаимодействуют два тела - твердосплавный инструмент и абразивная головка, при этом помимо диффузии, сформированной химическим потенциалом разности элементов возникает еще бародиффузия, вследствие возникновения давлений на контактных поверхностях и термодиффузия - вследствие повышения температур. Поэтому диффузия в процессе затачивания возможна за очень короткий промежуток времени, что подтверждается исследованием элементного состава шлифовальных головок и обработанных поверхностей твердосплавных пластин. На рисунке 1 показана схема массопереноса в процессе затачивания твердосплавной пластины GC1105. Подобная картина наблюдается и при исследовании других марок твердого сплава, таких как: ВК10-ХОМ, ВК8, GC1115 и GC1105.

Рисунок 1. Схема массопереноса

Как видно из результатов эксперимента, при повышении скорости шлифования, на шлифовальной головке практически не меняется элементный состав. Изменения находятся в пределах ±1%. По сравнению с исходным образцом наблюдается появление на поверхности кобальта Co и вольфрама W, что конечно же является логичным, так в процессе обработки происходит перенос этих элементов с твердосплавной платины на поверхность шлифовальной головки в виде микростружек. Уменьшение процентного содержания углерода C и кремния Si также является ожидаемым, вследствие появления новых элементов.

На поверхностном слое твердосплавной пластины наблюдается отсутствие кислорода O в исходном состоянии и при затачивании со скоростью 300 м/с, что говорит об отсутствии оксидных соединений. При затачивании происходит снижение процентного содержания кобальта Co в 1,55 раза при затачивании на классических режимах и повышение в 1,21 раза при сверхскоростном затачивании. Наблюдается также повышение процентного содержания углерода C, в 1,35 раза при затачивании на классических режимах и в 1,85 раза при сверхскоростном затачивании по сравнению с исходным образцом. Такое перераспределение и изменение элементов на твердосплавной пластине может объяснить повышение микротвердости на обработанных поверхностях.

Список литературы

1. Попов А.Ю., Гриценко Б.П., Сунгатулин А.Р., Титов Ю.В., Сергеев В.П., Воронов А.В., Деев К.А., Пупчин В.А. Формирование износостойких структур на твердых сплавах для суперфинишной обработки (тезисы) Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций : тезисы докладов Междунар. конф. - Томск, 2016. - С. 108-109.

2. А.Ю. Попов, Д.С. Реченко. Технология высокоскоростного затачивания твердосплавных инструментов - Старый Оскол. ТНТ, 2015. - 160 с.

Размещено на Allbest.ru