ПРИМЕНЕНИЕ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
Кондратюк А. А., Водопьянов А А., Нестеренко В.П., Руднев В. Д.
(ТПУ, г. Томск, РФ)
The investigation of the process of surface and surface layers oxidation of fast-cutting steel samples conducted with the method of Auger-electronic spectroscopy is represented here. Preliminary the samples passed thermal processing, and some part of them was exposed to additional influence by power ionic beam (PIB). The discovered effect allows to modify the property of fast-cutting steel and to use fast-cutting tools more purposefully and efficiently at cutting specific materials.
Известно, что износостойкость, участвующих в процессе трения материалов в значительной степени зависит от способности формировать ими на своей поверхности и в приповерхностной области диссипативные структуры и, в частности, оксидные пленки [1]. Дополнительное, после термической обработки воздействие на рабочие поверхности режущих инструментов, изготовленных из твердых сплавов стали мощных ионных и сильноточных электронных пучков приводит к некоторому росту их эксплуатационных характеристик [2]. Вместе с тем, механизм упрочнения поверхностей с помощью указанных способов, вследствие которых происходит повышение износостойкости до конца еще не изучен. Наиболее вероятной причиной увеличения ресурса работы режущих инструментов является снижение интенсивности молекулярных составляющих интегрального износа. Это касается, прежде всего, разрушения режущего клина за счет низкотемпературной адгезии и высокотемпературной диффузии, действующих в межконтактной области с обрабатываемым материалом. Указанные деструктивные процессы прямым образом зависят от состава и электронного строения полиоксидных соединений и комплексов, формирующихся на поверхности и приповерхностных слоях режущих инструментов. Вероятно, что создание наиболее оптимальных условий для образования или регенерации данных структур является при резании, например, сталей, определяющей причиной повышения ресурса их работы. Как известно, вследствие интенсивного образования на поверхности и в приповерхностных слоях режущих инструментов полиоксидных соединений снижается активность проявления адгезионного износа, заключающаяся в микросваривании инструментального и обрабатываемого материалов в локальных точках с последующим разрушительным разъединением образовавшегося соединения. Однако, при этом увеличивается интенсивность процесса диффузии – переноса массы, тесным образом связанной с образованием разупрочняющих соединений в структуре инструментального материала и снижающая его износостойкость. Оксидные диссипативные структуры, формирующиеся, на поверхности и в приповерхностных слоях режущего инструмента, образуют, между собой, а также на границе контакта с обрабатываемым материалом концентрационные и электрические поля, способствующее или препятствующее взаимодействию поверхностей. Кроме этого, они могут выступать и в роли твердой смазки. Приобретение инструментальным материалом свойств, замедляющих или ускоряющих диффузию посторонних или собственных атомов обеспечивается образованием в его приповерхностной области структур снижающих в некоторой степени твердость, прочность, красностойкость, но препятствующей вместе с тем проникновение в глубинные слои элементов обрабатываемого материала и окружающей среды, в том числе кислорода. С этой точки зрения информация о термодинамике и кинетике окисления или восстановления контактных поверхностей, а также способах управления этими процессами может стать определяющим фактором в повышении функциональных возможностей режущего инструмента. Для расширения представлений, об особенностях образования и влияния на процесс износа режущих инструментов полиоксидных структур, были проведены исследования элементного состава поверхности и приповерхностных слоев образцов из твердого сплава, контрольных и обработанных мощным ионным пучком (МИП) с помощью оже – электронной спектроскопии, после их высокотемпературной обработки (окисления) в электрической печи с открытым доступом атмосферного воздуха.
Технология получения образцов включала их нагрев при заданной температуре, необходимую выдержку и последующее охлаждение на воздухе. Температура нагревания составляла 800 - 900ОС и примерно соответствовала температуре в зоне контакта инструментального и обрабатываемого материалов. Время выдержки образцов в электропечи было 5 – 10 мин. Предварительно, все образцы подвергались химической очистке. Исследуемая поверхность половины подготовленных образцов подвергалась импульсной обработке МИП. Пучок состоял из ионов углерода и водорода и имел энергию 200 кэВ. Плотность тока находилась в диапазоне 150 – 200 А/cм2. Длительность импульсов тока составляла 50 нс. Экспериментальные образцы имели размеры: длина и ширина 12 мм и высота 6 мм. Все поверхности образцов подвергались шлифованию с последующим полированием до Rz=0,063 – 0,050 мкм. Элементный состав окисленных поверхностей и приповерхностных слоев контролировали с помощью метода оже – электронной спектроскопии. Диаметр зондирующего электронного пучка равнялся 1,0 мкм. Энергия частиц в осуществляющем исследование пучке была 3 кэВ. Разрешающая способность анализатора составляла 0,7 %. Для периодического послойного распыления поверхности использовался пучок положительных ионов аргона с энергией, также 3 кэВ. Диаметр данного пучка равнялся 1,0 мм.
В результате исследований была получена зависимость изменения концентрации кислорода и вольфрама на поверхности и в приповерхностной области образцов из твердого сплава стали, подвергнутых окислительной обработке. Окисление осуществлялось при температуре 800 °С в течении 5 минут. Из данных следует, что с увеличением времени (глубины) зондирования поверхности контрольных образцов электронным пучком концентрация кислорода от поверхности сначала возрастает, достигает на глубине примерно 0,5 мкм наибольшей величины, соответствующей содержанию 72 % ат, и в дальнейшем снижается. Величина концентрации атомов вольфрама от поверхности, с ростом глубины зондирования, также сначала возрастает, достигает уровня, когда относительное ее содержание не изменяется а, затем, непрерывно увеличивается до насыщения, которое наступает на расстоянии, примерно, 2,5 мкм от поверхности. Как было установлено, приповерхностный слой твердого сплава глубиной, примерно, до 1 мкм имеет повышенное содержание серы, фосфора, сурьмы, мышьяка, азота, легкоплавких металлов (калий, натрий) и пониженную концентрацию молибдена, никеля, железа, меди, Окислительная термическая обработка контрольных образцов, как следует из представленных данных, способствует диффузии неметаллических и легкоплавких металлических элементов к поверхности и тугоплавких металлических от поверхности. С увеличением температуры и продолжительности окислительной обработки (до 900 °С и 10 мин) происходит интенсификация отмеченных диффузионных процессов. В связи с характером полученных результатов можно предположить, что в области, находящейся ближе к поверхности образцов формируется полупроводниковый слой оксида с избытком атомов кислорода, а в более отдаленных от поверхности слоях образуется оксидное соединение с дефицитом его атомов. Первый слой располагается в приповерхностной области, примерно до глубины 1,15 мкм. Второй слой находится за первым, и его толщина достигает примерно такой же величины как и у первого. На границе рассматриваемых структур, имеющих различную концентрацию составляющих компонентов, создается барьерный слой, снижающий в контактной зоне инструментального и обрабатываемого материалов активность адгезионных и диффузионных процессов.
В результате экспериментов были также получены данные об изменении концентрации кислорода и железа на поверхности и в приповерхностной области образцов из твердого сплава, предварительно облученных МИП и подвергнутых, затем, окислению с режимами, такими же, как и для контрольных. Из полученных экспериментальных данных следует, что с увеличением времени зондирования поверхности концентрация кислорода в приповерхностной области образцов, также, сначала, возрастает, и достигает, уже на глубине 0,25 мкм наибольшего значения, соответствующего содержанию 62% ат, а затем снижается. Характер изменения этой зависимости несколько отличается от ранее рассмотренной для контрольных образцов. Это касается в первую очередь более низкой концентрации кислорода на поверхности у образцов с дополнительной обработкой мощным ионным пучком. Причем, максимальное содержание кислорода обнаруживается на меньшей глубине (0,250 против 0,500 мкм) чем для контрольных. Кроме того, из данных следует, что процесс диффузии – проникновения атомов кислорода в структуру происходит менее активно и составляет по глубине меньшую величину в сравнении с необработанными МИП образцами. Последнее указывает, также, на слабую подверженность окислению поверхности облученных образцов. Концентрация атомов железа с увеличением времени зондирования сначала увеличивается до глубины 0,20 мкм, затем, практически не изменяется до глубины 0,40 мкм и, наконец, приобретает тенденцию к постепенному увеличению вплоть до насыщения, которое происходит на глубине 2,0 мкм. По сравнению с аналогичными данными для контрольных образцов на рассматриваемой зависимости, явно, прослеживается более интенсивный характер увеличения концентрации вольфрама от поверхности. Кроме того, общая глубина слоя, в котором, происходит резкое изменение концентрации вольфрама, примерно в 2 раза меньше по сравнению с глубиной для контрольных образцов. Поверхностный слой твердого сплава, обработанный мощным ионным пучком и в, дальнейшем, подвергнутый окислению имеет, по сравнению с контрольными образцами более высокую концентрацию примесей серы, фосфора, сурьмы, мышьяка, азота, легкоплавких металлов (калий, натрий), а приповерхностный слой более низкую концентрацию молибдена, никеля, железа, меди.
Исследование износостойкости проходных резцов из твердого сплава ВК8, контрольных и обработанных дополнительно МИП производили на токарном станке мод. 16К20 при резании сталей Х18Н10Т и 45. Между износостойкостью режущих инструментов, а также свойствами диссипативных структур на поверхности и в приповерхностных слоях инструментального материала была установлена тесная связь.
Таким образом, c помощью предварительной обработки поверхности МИП представляется возможным получать в зоне контакта, в процессе последующего естественного окисления, различные барьерные структуры усиливающие или ослабляющие потоки массы, тепла или электричества в структуру инструментального материала. При этом изменяется интенсивность адгезионных и диффузионных процессов в зоне контакта инструментального и обрабатываемого материалов, а следовательно регулируется износ.
Литература
1. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. М.: “Металлургия”, 1976, 174 с.
2. Машков Ю. К., Полещенко К. Н., Поворознюк С. Н., Орлов П. В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. М.: Наука, 2000, 280 с.