Твердость компонентов стали, чугуна и сплавов

Твердость компонентов стали, чугуна и сплавов

Элемент сплава	Твердость HV, МПа	Элемент сплава	Твердость HV, МПа
Сульфид марганца		Цементит
Чистое железо		Твердые сплавы: WC + 13% Co WC + 6% Co
Феррит
Зернистый перлит	15-20	Карбиды вольфрама
Пластинчатый перлит (эвтектика)	20-35	Карбиды хрома
Аустенит	15-35	Окись алюминия
Мартенсит отпуска	25-80	Карбиды ванадия Карбиды титана Карбиды кремния Карбиды бора
Закаленная углеродистая сталь	65-70
Кварц
Стеллит (Stellite)		Алмаз

 

Особенно сильно изнашивается задняя поверхность, на которой появляются углубления в виде рисок и канавок, перпендикулярных к главной режущей кромке.

Абразивное изнашивание усиливается при резании в химически активных средах (например, в четыреххлористом углероде), ослабляющих сопротивляемость контактных поверхностей инструмента царапанию. Абразивное действие обрабатываемого материала становится тем сильнее, чем меньше отношение твердости инструмента к твердости обрабатываемого материала . Вследствие этого абразивное изнашивание заметнее проявляется при работе инструментами из углеродистых и быстрорежущих сталей, чем при работе твердосплавными инструментами, так как их твердость значительно выше.

Абразивный износ может играть решающую роль при обработке деталей с резко выраженными абразивными свойствами (чугун, силумин, сварные швы и др. ). Абразивному износу подвергаются в основном режущие инструменты, работающие при относительно низких скоростях и температурах резания (протяжки, метчики, плашки и т. п. ).

Адгезионно-усталостный износ. В процессе резания между инструментом и обрабатываемым материалом имеются условия для образования адгезионного схватывания. Фактическая площадь контакта между соприкасающимися поверхностями инструмента, стружкой и поверхностью резания составляет незначительную часть от номинальной площади контакта. Вследствие высоких контактных давлений в точках соприкосновения выступов фактических площадок контакта инструмента, стружки и поверхности резания развиваются локальные пластические деформации с высокой температурой. В результате этого происходит соприкосновение химически чистых участков обрабатываемого и инструментального материалов и их взаимное схватывание с образованием узлов («мостиков» схватывания). При перемещении стружки и поверхности резания относительно рабочих поверхностей инструмента происходит непрерывное разрушение и возобновление «мостиков» схватывания без изменения геометрии соприкасающихся поверхностей. Иногда становится возможным их разрушение за счет инструментального материала, всегда более прочного, чем обрабатываемый. Исследования показали, что причины этого разрушения неодинаковы для различных инструментальных материалов. Для твердых сплавов отделение частиц износа происходит обычно по границам зерен карбидов, то есть разрушению подвергается кобальтовая (или никелевая) прослойка, прочность которой относительно невысока и снижается с повышением температуры (рис. 7. 16). При высоких температурах адгезионное разрушение происходит в виде отделения частиц износа с карбидных зерен. Для быстрорежущих сталей основную роль при адгезионном износе играют явления динамической рекристаллизации, которые приводят к возникновению микроучастков с пониженной прочностью.

Рис. 7. 16. Схема отделения частиц инструментального материала на границах зерен при адгезионном износе

 

При адгезионном износе всех инструментальных материалов большой вклад в процесс изнашивания вносят усталостные явления (отсюда и термин – «адгезионно-усталостный»). Каждый из контактирующих выступов инструмента испытывает циклическое нагружение, которое вызывает появление усталостных трещин, способствующих отделению частиц износа.

Напряжения, возникающие при разрыве адгезионной связи, как правило, недостаточны для разрушения микрообъема инструментального материала. Поэтому разрушения преимущественно возникают в отдельных зонах, где уже имеется значительное количество усталостных трещин, появляющихся в результате циклических нагрузок при разрушении заторможенного слоя. Таким образом, отрыв частиц инструментального материала силой адгезии является всего лишь заключительным этапом разрушения, совершающимся тогда, когда прочность связи частиц с основой снижается вследствие возникновения и развития усталостных явлений в поверхностном слое инструментального материала.

Адгезионно-усталостный износ режущего инструмента в зависимости от условий обработки и состояния инструментального материала может происходить либо путем отрыва, либо пластического среза, и соответственно механизм износа имеет либо хрупкую, либо пластическую природу. На рис. 7. 17, а показан механизм развития в поверхностном слое инструментального материала (быстрорежущая сталь) системы усталостных трещин, которые, продвигаясь к контактной поверхности, формируют частицы (рис. 7. 17, б), отрываемые и уносимые приконтактной поверхностью стружки (рис. 7. 17, в) с передней поверхности или поверхностью резания с задней поверхности инструмента. Число циклов нагружения до усталостного разрушения микрообъемов инструментальных материалов не является постоянным, а зависит от их физико-механических свойств (трещиностойкости, циклической прочности) и температуры резания.

Масса инструментального материала, удаляемого с контактных поверхностей инструмента на единицу пути резания, зависит от прочности и твердости обрабатываемого материала. При прочих равных условиях, чем меньше отношение твердостей , тем интенсивнее изнашивание инструмента. Например, масса инструментального материала, удаляемого с передней поверхности резца из твердого сплава ВК8 на пути резания  м с площади 0, 044 мм², составляет:

· 16× 10^{-5 г} при обработке стали 40Х ( =2, 5);

· 25× 10^{-5 г} – при обработке жаропрочного сплава ХН77ТЮР ( =2, 33);

· 54× 10^{-5 г} – при обработке жаропрочного сплава ЭИ929 ( =1, 93).

Специфический характер адгезионного изнашивания определяет сопротивляемость инструментальных материалов этому виду изнашивания. Чем выше циклическая прочность и ниже хрупкость инструментального материала, тем выше его износостойкость при равной теплостойкости.

Рис. 7. 17. Адгезионно-усталостное разрушение поверхностного слоя инструментального материала (быстрорежущая сталь): а – механизм развития усталостных трещин; б – отрывание частиц; в – уносимые частицы

Что означает 2000^х, 1000^х и 500^х, хотя подразумевается увеличение (раз), может 2000х, …500х

Поэтому в зоне невысоких температур резания, когда теплостойкость инструментального материала не имеет решающего значения, износостойкость твердых сплавов может быть ниже, чем у быстрорежущих сталей, имеющих более высокую прочность и лучше сопротивляющихся циклическим нагрузкам.

По интенсивности протекания адгезионного изнашивания инструментальные материалы различно реагируют на изменение температуры резания. Относительный износ инструментов из быстрорежущих сталей, хорошо сопротивляющихся циклическим контактным нагрузкам, при нагреве до температур 500°С остается почти постоянным или даже уменьшается с увеличением температуры резания. Нагрев твердых сплавов также способствует повышению их сопротивляемости контактным нагрузкам за счет уменьшения хрупкости, о чем свидетельствует некоторое увеличение стойкости инструмента с повышением скорости резания в определенном диапазоне скоростей. Именно поэтому в интервале температур 500…750°С повышение температуры резания сопровождается уменьшением относительного износа твердосплавного инструмента.

Адгезионный износ инструмента можно уменьшить, применяя жидкости, создающие на контактных поверхностях «защитные» пленки (окисные, масляные и др. ), которые существенно уменьшают силы адгезии и препятствуют схватыванию обрабатываемого и инструментального материалов.

Термоусталостное изнашивание (термический износ). Местный нагрев, неизбежный при резании, вызывает в зоне термического влияния пластическую деформацию, и зона, где температура достигает более 200…300°С, может оказаться «охрупченной». Хотя деформация, обусловленная местным нагревом, и невелика (  2%), в некоторых случаях могут возникнуть критические условия, особенно если в зоне термического влияния уже имеется трещина, например, в результате адгезионно-усталостного разрушения, температурных деформаций при напайке режущего элемента, термообработки при его изготовлении и т. п.

Около нее возникает концентрация напряжений, так что деформация непосредственно у трещины может достичь 40%. Более того, металл при нагреве вследствие стеснения температурной деформации претерпевает сжатие и при последующем быстром охлаждении возникают остаточные растягивающие напряжения. В результате возникает опасное состояние материала. Если в металле, содержащем трещины, чередуются нагрев и охлаждение, при охлаждении может произойти самопроизвольное разрушение от трещин – термоусталостное разрушение. Такой механизм износа часто проявляется при прерывистом резании, например, при фрезеровании, и особенно с использованием СОТС на водной основе, обладающих мощным охлаждающим эффектом. Нагрев лезвия при собственно резании и быстрое его охлаждение во время холостого хода (особенно при использовании водных СОТС) вызывают термические «удары», так как температурное поле в поверхностных слоях характеризуется высоким градиентом (перепадом) температур и термические напряжения s_q при высоких контактных температурах достигают значительных величин. Если величина s_q превысит предел прочности инструментального материала, то образуется трещина и начинается его хрупкое разрушение. Именно этим можно объяснить охрупчивание зоны термического влияния при резании с применением СОТС и хрупкое разрушение лезвия под действием относительно низких напряжений, т. е. при небольших усилиях резания, например, при чистовом (тонком) точении с применением водных СОТС.

Окислительное изнашивание. Гипотеза окислительного изнашивания основывается на известном факте коррозии твердых сплавов при нагреве их в среде кислорода и при неизменности свойств поверхностных слоев сплавов при нагреве их в инертных газах (аргоне, азоте, гелии). Согласно этой гипотезе при температурах резания 700¸ 800°С кислород воздуха вступает в химическую реакцию с твердым сплавом, причем из всех возможных составляющих (фаз) в нем (кобальт, карбиды вольфрама, титана, тантала) наиболее сильно окисляется кобальт. Кроме того, карбид титана образует более прочную пленку окисла по сравнению с карбидом вольфрама. Вследствие значительной пористости металлокерамических твердых сплавов окислительным процессам подвергаются не только сами контактные поверхности инструмента, но и зерна твердого сплава, лежащие на некоторой глубине от этих поверхностей. Продуктами окисления кобальтовой фазы являются окислы Со₃О₄ и СоО и карбидов WO₃ и TiO₂. Продукты окисления в 40¸ 60 раз ниже по средней твердости, чем твердые сплавы. В результате значительного размягчения кобальтовой фазы нарушается «монолитность» сплава за счет ослабления связей между зернами карбидов и цементирующей связкой. Это создает благоприятные условия для вырывания карбидных зерен силами трения и адгезии, действующими на передней и задней поверхностях лезвия, и резкого повышения интенсивности изнашивания этих поверхностей. Вместе с тем в случае образования тонких и достаточно прочных окисных пленок адгезия происходит между пленками, что предохраняет инструмент от более интенсивного износа путем вырывания частиц инструментального материала. При образовании более толстых и рыхлых окисных пленок интенсивность износа лезвия резко увеличивается, так как такие пленки легко разрушаются при его взаимодействии с контактными поверхностями обрабатываемой детали и стружкой.

Склонность твердых сплавов к окислению определяется их химическим составом. Однокарбидные сплавы окисляются сильнее, чем двухкарбидные. С увеличением содержания кобальта в твердом сплаве интенсивность и скорость окисления возрастают. Развитию коррозионных явлений в значительной степени препятствует применение при резании инертных газовых сред, например, аргона, гелия, азота, что существенно уменьшает интенсивность изнашивания инструмента.

Диффузионный износ. При температурах резания 800¸ 850°С резко увеличивается интенсивность износа режущего инструмента. Проф. Т. Н. Лоладзе [9] выдвинул гипотезу, согласно которой данное явление объясняется появлением диффузионного изнашивания, когда при температурах 800¸ 850°С в большей степени процесс связан с интенсификацией взаимного диффузионного растворения инструментального и обрабатываемого материалов. Перенос атомов инструментального материала в стружку и обрабатываемую деталь можно рассматривать как собственно износ. Обратный же перенос атомов обрабатываемого материала в инструмент играет косвенную роль, приводя к изменению структуры поверхностных слоев инструментального материала и снижению их прочности.

В обычных условиях диффузия в металлах является весьма медленным процессом. Скорость диффузии зависит от температуры, взаимной растворимости металлов друг в друге. По данным [8] скорость диффузии удваивается при повышении температуры на каждые 20°С. Поэтому диффузионный износ становится превалирующим при высоких контактных температурах.

Процесс диффузии описывается с помощью уравнения Фико:

,                                            

где  – скорость диффузии;  – площадь сечения, через которое протекает диффузия;  – коэффициент диффузии;  – градиент концентрации диффундирующего вещества.

Следовательно, скорость диффузии зависит от градиента концентрации диффундирующего вещества. Поверхности изделия и стружки, входящие в контакт с инструментом – это ювенильные поверхности, которые не несут на себе посторонних молекул, что особенно благоприятствует диффузии. А малая длительность контакта приводит к тому, что в соприкосновение с одним и тем же участком поверхности инструмента непрерывно входят все новые участки поверхностей стружки и изделия. В результате поддерживаются весьма высокие градиенты концентрации вещества, диффундирующего из инструмента, и высокая скорость диффузии.

Различные компоненты твердого сплава диффундируют в обрабатываемый материал с различной скоростью. Наиболее интенсивно диффундирует углерод, медленнее – вольфрам, кобальт и титан. В результате неодинаковой скорости растворения между инструментом, стружкой и поверхностью резания образуется три диффузионных слоя (рис. 7. 18).

Рис. 7. 18. Схема диффузионного изнашивания твердого сплава

 

Наиболее удаленным от контактных поверхностей является науглероженный слой 1, под ним лежит слой серого цвета 2, представляющий собой твердый раствор углерода и вольфрама или углерода, вольфрама и титана в железе. Слой 3 является интерметаллидом в виде железо-вольфрамового или более сложного карбида. Структурные превращения в этом слое, лежащем на границе раздела твердого сплава и обрабатываемого материала, происходят в результате обеднения контактных поверхностей инструмента углеродом и диффузии в твердый сплав железа из обрабатываемого материала.

Следует отметить, что эти процессы при резании однокарбидными и двухкарбидными твердыми сплавами протекают по разному. Титано-вольфрамовые карбиды в обрабатываемом материале растворяются значительно медленнее, чем вольфрамовые. Поэтому на контактных поверхностях образуются выступы не полностью растворившихся зерен титано-вольфрамовых карбидов. Контактные слои стружки и поверхности резания заполняют обрабатываемым материалом впадины между зернами, создавая очаги застоя, что увеличивает время диффузии и замедляет диффузионное растворение. Поэтому при высоких скоростях (температурах) резания двухкарбидные сплавы имеют большую износостойкость, нежели однокарбидные. При температурах резания, когда диффузионное растворение еще не происходит (800°С), износостойкость однокарбидных твердых сплавов мало отличается от износостойкости двухкарбидных, а иногда и превосходит ее. Интенсивность протекания диффузионных процессов заметно уменьшается при применении инструментальных материалов, химически инертных по отношению к обрабатываемому материалу. И наоборот, например, повышенное сродство углерода к железу резко повышает скорость диффузии атомов углерода из алмаза в обрабатываемый материал, что делает нецелесообразным применение алмазных резцов для обработки стальных деталей.

Некоторые ученые считают диффузионный износ лишь разновидностью адгезионного износа, отличающейся очень малыми размерами отделяемых частиц. Из-за экспериментальных трудностей до сих пор никому не удалось зафиксировать этот износ непосредственно в процессе резания. Для окончательного решения этого вопроса необходимо проведение дальнейших исследований.

Эвтектическое изнашивание. Такой механизм изнашивания довольно часто проявляется при обработке с высокими скоростями резания, когда могут возникать высокие температуры резания. Например, при обработке металлов на основе Fe инструментом из поликристаллов на основе кубического нитрида бора (КНБ) температура резания может достигать значений 1200°С.

В этом случае процесс резания сопровождается образованием на контактных поверхностях инструмента тонкого слоя соединений, температура плавления которых ниже, чем температуры плавления обрабатываемого и инструментального материалов. В результате этого контакт инструмента со стружкой и поверхностью резания происходит через слой жидкой фазы, т. е. в зоне контакта реализуется механизм контактно-реактивного плавления. Это предположение подтверждается тем, что, например, эвтектика Fe-Fe₂B плавится при температуре 1177°С, а эвтектики CrB₃ и Fe₄N – при 1000¸ 1100°С. Учитывая, что в контакте могут образовываться сложные соединения, например, тройные, то температура их плавления может быть еще ниже.

Дополнительной причиной образования жидкой фазы на контактных поверхностях инструмента является окисление инструментального материала, размягчение и плавление борного ангидрида, имеющегося в составе КНБ.

С одной стороны, образование жидкой фазы сопровождается уменьшением коэффициента трения, что способствует уменьшению относительного износа, а с другой – жидкая фаза, состоящая из химических элементов, входящих в состав инструментального и обрабатываемого материалов и компонентов, окружающих контакт газовой среды, выносится из зоны контакта и оседает в виде «налета» на поверхностях инструмента вблизи контактных зон, а также распыляется в окружающую среду в виде мельчайших капель. Образование жидкой фазы сопровождается разрушением контактных зон поверхностей лезвия и увеличением износа инструмента. При определенных условиях этот фактор может существенно превалировать над первым.

На рисунке 7. 19 показаны частицы, образовавшиеся из материала жидкой фазы, выброшенной из зоны контакта в окружающую среду. Частицы сферообразной формы имеют ярко выраженную дендритную структуру литого материала. На поверхности фильтра, площадью 10^-5 мм², обнаружено 150¸ 200 таких частиц с размерами 0, 1…30, 0 мкм, что говорит о значимости этого явления для процесса изнашивания контактируемой поверхности инструмента из КНБ. При резании аналогичных материалов инструментами из твердого сплава Т15К6 с покрытиями TiC и TiN и режущей керамики ОНТ-20, ВОК60 эффекта образования эвтектик с пониженными температурами плавления обнаружено не было.

Эффективными мерами снижения эвтектического изнашивания инструментов из КНБ является применение СОТС со смазывающим действием (масла с низкой вязкостью).

 

а	б
Рис. 7. 19. Частицы, образовавшиеся из материала жидкой фазы (а) и выброшенные из зоны контакта лезвия со стружкой в окружающую среду при эвтектическом изнашивании (б)

 

Абразивно-химический износ. Процесс резания осуществляется в окружающей среде. Эта среда оказывает существенное влияние на контактные процессы между рабочими поверхностями инструмента, стружкой и поверхностью резания. Так, например, считается, что при температурах резания 700¸ 800°С кислород воздуха вступает в химическую реакцию с кобальтовой фазой твердого сплава и карбидами вольфрама и титана, причем наиболее сильно окисляется кобальт. При этом окислительным процессам подвергаются не только сами контактные поверхности инструмента, но и зерна твердого сплава, лежащие на некоторой глубине от этих поверхностей. Твердость продуктов окисления (окислы  и ,  и ) в 40¸ 60 раз ниже, чем у твердых сплавов. В результате значительного размягчения кобальтовой фазы нарушается монолитность сплава и ослабляются связи между зернами карбидов вольфрама и титана с цементирующей связкой. Это создает благоприятные условия для вырывания карбидных зерен силами трения, действующими на передней и задней поверхностях инструмента, и изнашивания этих поверхностей. Происходит абразивно-химический износ. Однокарбидные твердые сплавы окисляются сильнее, нежели двухкарбидные. С увеличением содержания кобальта в твердом сплаве интенсивность и скорость окисления возрастают.

При резании в средах инертных газов (гелий, аргон, азот) интенсивность изнашивания уменьшается.

При резании сталей и молибдена твердыми сплавами в химически активных средах (четыреххлористый углерод) абразивно-химический износ проявляется слабо. Считается, что химически активные среды создают поверхностные пленки, значительно уменьшающие силы адгезии, однако, при этом существенно не ослабляющие поверхности инструмента. Ввиду пониженной интенсивности адгезионного износа стойкость твердосплавного инструмента в химически активных средах возрастает.

Интегральный (суммарный) износ инструмента. Для ответа на вопрос, какие механизмы изнашивания определяют работоспособность инструмента в различных условиях его эксплуатации, рассмотрим условную схему влияния на стойкость инструмента различных механизмов изнашивания (рис. 7. 20) в зависимости от скорости (температуры) резания при точении. Например, механическое (1), адгезионное и адгезионно-усталостное разрушения (2, 3) существенным образом определяют интенсивность изнашивания до средних температур резания (~700°С), а абразивное изнашивание (4) имеет место во всем скоростном (температурном) диапазоне.

При точении на низких скоростях резания ( , где  – скорость резания, соответствующая минимальной интенсивности изнашивания, т. е. максимальной стойкости инструмента) циклический характер разрушения локальных зон адгезионного контакта (2) инструментального и обрабатываемого материалов приводит к усталостному разрушению (3) поверхностных слоев инструментального материала.

Изнашивание протекает путем вырыва и уноса силами адгезии частиц твердого сплава, разупрочненного явлениями усталости. При этом зона наибольшего износа (вырывов) расположена на некотором расстоянии от режущей кромки. Все углубления на поверхности трения, образовавшиеся в результате механического и усталостного разрушения и локальных вырывов инструментального материала из-за действия высоких контактных нагрузок, заполняются обрабатываемым материалом. Последний образует на площадке износа тонкий слой, удерживаемый силами адгезии. Абразивное изнашивание (4) инструмента, наблюдаемое при работе на всех скоростях резания в исследованном диапазоне, связано не только с «резанием–царапанием» рабочих поверхностей лезвия твердыми частицами, находящимися в обрабатываемом материале, или разрушенного нароста, но и с явлением «самоизнашивания».

 

Температура в скобках – убрать или добавить по нижней оси обозначение и размерность

Рис. 7. 20. Общие закономерности влияния скорости резания на интенсивность износа и стойкость режущего инструмента для видов износа: 1 – механического; 2 – адгезионного; 3 – адгезионно-усталостного; 4 – абразивного; 5 – термоусталостного; 6 – окислительного; 7– диффузионного; 8 – эвтектического

 

Самоизнашивание заключается в царапании контактных поверхностей инструмента зернами карбидов твердого сплава, вырванными силами адгезии из этих же поверхностей и движущимися совместно с контактным заторможенным слоем обрабатываемого материала. Диффузионные процессы в диапазоне низких скоростей резания ( ) протекают при температурах резания 750°С, но обнаружены лишь в местах длительного контакта инструментального и обрабатываемого материалов. При работе на высоких скоростях резания ( ) износ инструмента определяется интенсивностью термоусталостного разрушения (5), окислительным (6), диффузионным (7) и эвтектическим (8) износами. При этом диффузия протекает фронтально не только между непосредственно трущимися поверхностями контактирующих материалов, но и между инструментальным материалом и тонким слоем обрабатываемого материала, удерживаемым силами адгезии на поверхности трения. Изнашивание таким образом происходит не только в результате взаимного диффузионного растворения материалов инструмента и детали, но также за счет вырыва и уноса силами адгезии частиц инструментального материала, разупрочненного диффузионными процессами и структурными превращениями, приводящими к «охрупчиванию» и разупрочнению рабочих участков инструмента. Некоторое снижение интенсивности износа инструмента с повышением скорости резания в диапазоне  может быть объяснено снижением адгезионных и усталостных явлений. Повышение скорости резания в диапазоне  приводит к возрастанию интенсивности его износа за счет резкого увеличения взаимного диффузионного растворения инструментального и обрабатываемого материалов с подключением к процессу диффузии новых химических элементов. Окислительный, диффузионный и эвтектический износы являются термоактивированными процессами и их вклад в суммарный износ интенсивно возрастает с повышением температуры. На механизмы изнашивания могут накладываться явления разупрочнения (ползучесть) инструментального материала в результате действия высоких температур и скоростей деформации. Процессы ползучести и динамической рекристаллизации быстрорежущей стали приводят к интенсивному ее износу при температурах резания 650¸ 700°С.

Поэтому при невысоких скоростях (температурах) резания наилучшую износостойкость имеют материалы, способные сопротивляться усталостным процессам (более трещиностойкие) – быстрорежущие стали, твердые сплавы группы ВК и ТТК. С увеличением скорости (температуры) резания начинают доминировать твердые сплавы группы ТК, режущая керамика и СТМ на основе алмаза и КНБ, имеющие более высокую теплостойкость.

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: