загрузка...
 
1.3.1.2. Дифузійні процеси при різанні
Повернутись до змісту

1.3.1.2. Дифузійні процеси при різанні

Висока температура, інтенсивна адгезія, великі пластичні деформації й високі тиски в зоні контакту леза інструменту зі стружкою і поверхнями на заготовці при високих швидкостях різання повинні суттєво сприяти взаємному дифузійному розчиненню компонентів інструментульного й оброблюваного матеріалів, що при певному поєднанні зазначених факторів може значною мірою впливати на зношування інструменту.

Примітка. Дифузія (від лат. diffusion - поширення, розтікання) - поширення речовини до якого-небудь середовища в напрямку зменшення його концентрації, обумовлене тепловим рухом іонів, атомів, молекул, а також більших частинок

Дифундувати можуть як розчинені в речовині сторонні частинки, так і частинки самої речовини (самодифузія). Якщо в системі підтримується нерівномірний розподіл температури або на систему діють зовнішні сили, наприклад, теплові, електричні, то відбуваються відповідно термодифузія, електродифузія й т.п.

Дифузія в металах в умовах відносного спокою контактуючих елементів, тобто без їхнього відносного переміщення, вважається досить повільним процесом. Тому може сформуватися думка, що дифузійне взаємне розчинення оброблюваного й інструментульного матеріалів навряд чи може бути істотним при різанні, яке характеризується короткочасністю одиничного контакту, і, наприклад, проявлятися в зношуванні інструменту. І дійсно, щоб одержати помітну дифузію атомів при взаємному контактуванні двох металів, які перебувають у відносному спокої навіть у зазначених умовах, але при кімнатній температурі, необхідно кілька місяців. Якщо ж підігріти контактуючі метали до високої температури, то швидкість дифузії може збільшитися в кілька сотень, тисяч і навіть мільйонів разів, але й у цьому випадку маса продифундованого металу мізерно мала в порівнянні з масою матеріалу, що видаляється за той же час із поверхонь інструменту в результаті зношування. Це пояснюється тим, що основним законом дифузії є так званий параболічний закон збільшення дифузійного шару: початковий період дифузії при такій схемі контактування твердих тіл характеризується досить високою швидкістю розчинення, але із часом швидкість зменшується за законом параболи. Тобто коли контактуючі поверхні знаходяться у відносному спокої, самі продукти дифузійних процесів (сформований із них шар) стають перепоною для подальшого їх перебігу. При різанні ж стружка зі зрізуваним шаром і знову утвореними поверхнями на оброблюваній деталі (обробленою і різання) безупинно з великою швидкістю переміщаються щодо поверхонь інструменту (передньої й задньої). При цьому в контакт входять все нові й нові ювенільно (хімічно) чисті ділянки поверхні оброблюваного матеріалу з відносно хімічно чистими (очищеними від окисних плівок і вторинних структур) поверхнями леза інструменту й тому швидкість взаємного розчинення матеріалів, що труться, постійно висока. Саме ця особливість процесу різання істотно збільшує швидкість взаємного розчинення одне в одному оброблюваного й інструментульного матеріалів, тобто в умовах різання параболічний закон дифузійного розчинення на встигає проявлятися. У цьому випадку можна провести аналогію між конвективним теплообміном і дифузійним розчиненням в умовах відносного швидкого переміщення контактуючих елементів, як це має місце в процесі різання матеріалів. Відомо, що швидкість теплопередачі при конвективному теплообміні більш високого порядку, ніж у випадку теплопровідності.

Можна припустити, що через малий час контакту інструменту з оброблюваним матеріалом дифузійні шари в умовах різання повинні мати досить малу товщину й у прирізцевій поверхні стружки, і на знову утворених поверхнях заготовки (різання й обробленій), і на робочих  поверхнях леза інструменту. Разом з тим доведено, що товщина дифузійних шарів на поверхні різання й у стружці залежно від елемента, що дифундує, в умовах інтенсивного дифузійного розчинення може обчислюватися десятками й сотнями атомних площин і більше.

На межі зіткнення реагуючих пар металів можливі два види дифузії: гетеродифузія й реактивна дифузія. У першому випадку утвориться твердий розчин із решіткою розчинника. Максимальна концентрація речовини, що дифундує у металі-розчиннику, не може перевищувати граничної концентрації, обумовленої діаграмою стану. У другому випадку може відбутися, незалежно від явища взаємної розчинності, хімічна реакція з утворенням інтерметалічної сполуки безпосередньо на межі поділу реагуючих металів. Умова для утворення нових фаз при дифузії полягає в тому, що речовини, які беруть участь у цьому процесі, за своєю природою можуть утворити інтерметалічні сполуки. Останнє також визначається діаграмою стану дифундуючих металів.

Інтенсивність перенесення речовини при гетеродифузії, що визначає, у першу чергу, інтенсивність зношування робочих поверхонь леза, визначається граничною розчинністю матеріалу різального інструменту в оброблюваному матеріалі, його концентрацією й швидкістю розчинення.

При реактивній дифузії інтенсивність розчинення визначається вмістом елементів інструментульного матеріалу в утвореній інтерметалічній фазі й швидкістю хімічної реакції на межі поділу. Дифузія молекули хімічної сполуки в решітку металу неможлива. У метал дифундують атоми, що утворилися в результаті дисоціації цих сполук. Тому при дифузійному розчиненні інструментульного матеріалу в оброблюваному матеріалі необхідно розглядати дифузію елементів, які входять в інструментульний матеріал, - вуглецю, вольфраму, титану, кобальту та ін. - роздільно.

При цьому необхідно враховувати й той факт, що в багатокомпонентних системах у процесі дифузії має місце взаємовплив окремих компонентів на їх розчинність і швидкість дифузії.

У загальному випадку кількість речовини компонента В, виражена в молях маси речовини, яка продифундувала в компонент А, виражається рівнянням

,

де D - коефіцієнт дифузії;  - градієнт концентрації в якій-небудь точці; d-елементарна площа, через яку відбувається дифузія; d? - час дифузії.

Цей вираз називається першим законом дифузії і є рівнянням перенесення речовини. Воно прийнятне до дифузії в будь-якому середовищі - твердому, рідкому й газоподібному. Як видно з наведеного рівняння, коефіцієнт дифузії D дорівнює вираженій у молях кількості речовини, що дифундує за 1с крізь площу в 1 м2 при градієнті концентрації, що дорівнює молю на 1 м, і має розмірність м2/с.

У більшості випадків для практичних розрахунків закон дифузії виражається такимм рівнянням:

,

де  - швидкість зміни концентрації в часі.

Це рівняння називається другим законом дифузії.

Якщо перше рівняння визначає швидкість проникнення речовини через одиницю поверхні деякого середовища при стаціонарному стані потоку, тобто коли концентрація в будь-якій узятій точці із часом не змінюється і швидкість проникнення виражається через градієнт концентрації та коефіцієнт дифузії, то друге рівняння визначає нагромадження речовини в певній точці середовища як функцію часу, тобто це рівняння належить до нестаціонарного стану потоку.

З першого рівняння можна знайти швидкість дифузії (швидкість розчинення):

,

яка істотно залежить від часу перебігу процесу.

На рис. 1.28 наведено криві зміни швидкості дифузії за часом при дифузії вольфраму в сталь при температурах 1000, 1100 і 1300?С.

Особливо висока швидкість розчинення спостерігається при малому часі дифузії, що відповідає тривалості контакту при різанні. Наприклад, якщо позрівняти середні швидкості дифузії при різанні, коли ? = 10-3с, і при дифузійних відпалах, коли

? = 36·103с, то їхнє відношення дорівнює 6·103. Отже, за законами дифузії швидкість дифузійного розчинення при різанні на кілька порядків вища, ніж при звичайних умовах відпалу.

Рисунок 1.28 - Зміна швидкості q розчинення вольфраму в сталі залежно від часу дифузії ?

Як уже відмічалося, численними дослідженнями встановлено, що зростання дифузійного прошарку як при гетеродифузії, так і при реактивній дифузії залежно від часу при постійній температурі відбувається приблизно за параболічним законом:

,

де х – товщина дифузійного шару в момент часу ?; А – постійна, залежна від концентрації елемента, що дифундує, на глибині х і на поверхні. Можна приймати .

Наведене рівняння може бути отримано теоретичним шляхом із закону дифузії Фіка:

Важливим параметром процесу дифузії є коефіцієнт дифузії D. Найбільш сильний вплив на коефіцієнт дифузії має температура . Температурна залежність коефіцієнта дифузії має вигляд

,

де D0 — передекспоненціальний множник, що формально дорівнює коефіцієнту дифузії при температурі, що дорівнює нескінченності, м2/с; Q - енергія активації при дифузії, віднесена до моля твердого розчину. З її величиною пов'язується поняття про розпушення кристалічної решітки, що полягає в ослабленні міжатомних зв'язків і в збільшенні, в зв’язку з цим, можливості відриву і міграції атомів від своїх положень рівноваги, Дж/моль; R — газова стала, що дорівнює 8,314 Дж/(моль·К).

Значною мірою коефіцієнт дифузії залежить від з‘єднання дифундуючих елементів і розчинника, зокрема, від його хімічного складу, теплового стану ситеми тощо. Наприклад, у табл. 1.1 наведені значення коефіцієнта дифузії кобальту, хрому й вольфраму в технічне залізо Армко і сталь У8 при різних температурах підігріву.

У загальному випадку величина коефіцієнта дифузії значною мірою залежить від таких факторів.

1. Енергії активації, що помітно знижується в міру віддалення елемента, що дифундує, від групи періодичної системи, до якої належить розчинник.

Цей факт пояснюється тим, що викривлення силових полів у кристалі поблизу атома розчиненого металу повинне полегшити процес дифузії.

Викривлення ж силових полів тим сильніше, чим різкіше відрізняється природа розчиненого елемента від природи розчинника, а ця розбіжність і обумовлюється взаємним розташуванням обох елементів у періодичній системі.

2. Типу твердого розчину. Дифузія у твердих розчинах впровадження здійснюється простіше, ніж у розчинах заміщення. Атоми елемента, що дифундує, перебувають між вузлами, і в процесі дифузії робота на їхнє виривання з вузлів не затрачується. Відповідно до цього енергія активації Q при дифузії при утворенні твердого розчину впровадження менше, ніж при утворенні розчину заміщення в тому ж розчиннику. У твердих розчинах дифузія того компонента, частина вузлів якого в кристалічній решітці вакантна, здійснюється тим легше, чим більше вакансій у решітці.

3. Складу твердого розчину. Наприклад, збільшення вмісту вуглецю викликає прискорення самодифузії заліза.

Таблиця 1.1 - Значення коефіцієнта дифузії при різних температурах

Температура , ?С

Коефіцієнт дифузії D·1016, м2/с

у залізі

у сталі

С

Cr

W

С

Cr

W

700

2,9

-

0,7

0,8

-

0,4

750

5,4

0,5

2,0

2,7

1,4

0,9

775

-

-

-

-

-

2,0

800

10

4,9

7,8

10

2,0

3,8

850

37

19

34

17

-

6,0

875

20

-

16

-

5,7

-

900

24

14

10

17

-

13

950

25

24

19

15

13

7,5

1000

47

44

14

17

18

15

1050

24

58

12

24

33

17

1100

16

23

18

27

39

44

1150

43

90

69

120

67

190

1200

170

130

210

340

190

230

1250

490

870

460

640

370

560

4. Концентрації елемента, що дифундує, у розчиннику. Ця залежність виражається тим сильніше, чим більше метал, що дифундує, відрізняється (за температурою плавлення, теплотою випарювання й ін.) від розчинника.

5. Кристалічної структури твердого розчину. Чим компактніше ґратки, тим менше величина коефіцієнта дифузії. Наприклад, в g - залізі швидкість дифузії менше, ніж в a-залізі.

6. Величини зерна. Звичайно дифузія в полікристалі відбувається швидше, ніж у монокристалі. Це обумовлено тим, що дифузія по межах зерен - гранична дифузія - відбувається швидше, ніж крізь товщину кристала - об'ємна дифузія. Через надзвичайно сильну викривленість кристалічних ґраток біля меж зерен знижується енергія активації. Викривленість усіх кристалічних ґраток також впливає на коефіцієнт дифузії.

7. Неоднорідності напруженого стану, що у складних системах створює різні потоки дифузії й появу хімічної неоднорідності.

8. Кристалографічного спрямування. У цьому випадку говорять, що дифузія має структурну чутливість.

Для виявлення  дифузійних шарів у контактуючих поверхнях при різанні під керівництвом проф. Лоладзе Т.М. проведений комплекс досліджень різних видів обробки різанням на малих швидкостях (мікрошвидкостях) зі штучним підігрівом зони контакту твердосплавного інструменту (одно- і двокарбідного) з оброблюваною деталлю переважно із заліза Армко. У результаті проведених досліджень встановлено, наприклад, що при  обробці інструментом із твердого сплаву ВК8 з підігрівом до 800?С на мікрошліфах коренів стружок не виявлявся який-небудь дифузійний шар. На рис. 1.29а показана зона контакту по передній поверхні при температурі підігріву зрізуваного шару трохи вище 1100°С: видно, що твердість шару, який безпосередньо примикає до межі контакту, є найбільшою й поступово при віддаленні від межі поділу вглиб стружки зменшується. Зміна мікротвердості контактних шарів заліза на відстані х від поверхні розділення наведена в табл. 1.2.

Таблиця 1.2 - Зміна мікротвердості за глибиною поверхневого шару

Х,  мкм

3,65

4,9

9,8

23

34

36,6

41,5

57,7

61

Мікротвердість, ГПа

8,0

4,5

2.9

1,5

1,2

1,0

0,9

1,0

1,0

 

а)                                            б)

Рисунок 1.29 - Зміна мікротвердості в контактних шарах стружки при різанні з підігрівом (залізо Армко-ВК8; v = 0,22 мм/з; b = 1,5 мм; а=0,25 мм; ? ? 1100?С; ? = 9с)

Рисунок 1.30 - Зона контакту передньої поверхні  при різанні з підігрівом (косий зріз під кутом ? = 2?)

Температура 1100?С значно перевищує температуру рекристалізації і відпалу заліза. Тому збільшення твердості

(рис. 1.29а) не може бути результатом наклепу, а є наслідком термохімічних процесів, що відбуваються між твердим сплавом і залізом у період різання і подальшого охолодження. Травлення шліфа підтверджує це припущення: чітко виявляється наявність цементованого вуглецем шару заліза. Незважаючи на малий час різання (9 с), товщина навуглецьованого шару як біля самої різальної  кромки (рис. 1.29б), так і в місці виходу стружки з контакту, а також і в самій стружці становить 20 - 30 мкм. Очевидно, цементація заліза  відбувається  внаслідок дифузії вуглецю із твердого сплаву в ?-залізо. На рис. 1.30 чітко спостерігається розчинення карбідів твердого сплаву в залізі. Зафіксовано стадії розчинення карбідів: деякі карбіди встигли розчинитися і їх  видно на мікрошліфі у вигляді окремих точок, деякі розширилися частково або перебувають у початковій стадії розчинення. Аналогічні явища спостерігаються й при різанні на мікрошвидкостях заліза двокарбідним твердим сплавом Т15К6.

Рисунок 1.31 - Зона контакту біля межі поділу при різанні з підігрівом (залізо Армко—ВК8;

v = 0,22 мм/с; b = 1,5 мм;

а=0,2 мм; ? ? 1100?С;

? = 16 с)

На рис. 1.31 наведено знімок зони контакту після 16с різання з підігрівом. При температурі підігріву 1100 - 1200?С, крім навуглецьованого шару, біля самої межі поділу виявлено дифузійний шар товщиною 2 - 3 мкм у вигляді тонкого білого прошарку, який не травиться азотною кислотою. Під цим шаром на поверхні інструменту також спостерігаються окремі темні ділянки. Поява декількох дифузійних прошарків пов'язана з реакцією на ці процеси таких багатокомпонентних систем, як система «твердий сплав – залізо». Застосування косого зрізу під малим кутом (? = 2? - 5?) дає можливість виявити картину взаємодії реагуючих пар на межі поділу.

На рис. 1.32 наведено мікрофотографію зони контакту передньої поверхні (~1200°С) зі стружкою. Чітко видно наявність структури навуглецьованого шару 1. Тут також чітко виявляється білий дифузійний шар 2 і потемнілі ділянки твердого сплаву, що свідчать про проникнення в нього заліза. Експериментально доведено, що залізо може проникати у твердий сплав на глибину до 25 мкм і більше, тобто із твердого сплаву вуглець, вольфрам і кобальт дифундують у залізо, а залізо проникає у твердий сплав, причому проникнення вольфраму в залізо більше, ніж заліза у твердий сплав.

Доведено, що білий дифузійний шар являє собою інтерметалічну фазу. Сталість концентрації вольфраму й заліза в темному дифузійному шарі 2 свідчить про те, що цей шар складається з однієї або декількох відособлених фаз. Значна концентрація заліза в цьому шарі є ознакою того, що дифузія заліза у твердий сплав відіграє істотну роль у структурних перетвореннях поверхневих шарів твердого сплаву.

Рисунок 1.32 - Зона контакту передньої поверхні  при різанні заліза з підігрівом (залізо Армко—ВК8; v = 0,22 мм/с;

b = 1,5 мм; а=0,25 мм;

? ? 1200?С; ? = 16 с)

На підставі металографічного дослідження дифузійних шарів, вимірювання їхньої твердості й рентгеноструктурного аналізу обробленої поверхні можна зробити висновок, що на вищенаведених знімках темний шар у залізі є навуглецьованим шаром, що являє собою твердий розчин вуглецю в g-залізі. Значно більша товщина цього шару в порівнянні з іншими дифузійними шарами пояснюється рухливістю атомів вуглецю, які швидше вольфраму, кобальту і титану дифундують у залізо і за той самий проміжок часу проникають на значно більшу глибину. Висока твердість дифузійних шарів викликана загартуванням при швидкому охолодженні зони контакту в момент припинення різання. Структура залежно від умов охолодження складається з мартенситу й залишкового аустеніту, а при більш повільному охолодженні - з бейніту, трооститу, троосто-сорбіту та ін.

Білий шар, що не травиться, утворений при цементації заліза однокарбідним твердим сплавом типу ВК, є залізо-вольфрамовим карбідом. Між білим шаром і залізом є шар твердого розчину вольфраму, вуглецю й кобальту в -g-Fе - g-фаза. При цементації заліза двохкарбідним твердим сплавом ТК цей шар є складним залізо-вольфрамо-титановим карбідом, і над ним перебуває шар твердого розчину.

Характер дифузійного розчинення поверхонь леза інструменту, оснащеного твердим сплавом, у процесі мікрорізання сталей з підігрівом до високих температур аналогічний характеру дифузійного розчинення при різанні заліза з підігрівом. Досліди проводилися зі зразками зі сталей 10, Ст.3, 40, У7, 18Х2Н4ВА й ін. При температурах підігріву вище 900 - 950°С відбувається помітна дифузія компонентів твердого сплаву в сталь. Утворюється навуглецьований шар сталі і під ним дифузійний шар твердого розчину вольфраму й вуглецю в g-Fе. Відбуваються також зневуглецювання й структурні перетворення у твердому сплаві. Хімічний склад сталі впливає на швидкість розчинення компонентів твердого сплаву та на його зневуглецювання. Збільшення вуглецю в сталі, наприклад, до 0,8 - 1,2%, знижує швидкість зневуглецювання твердого сплаву й трохи збільшує швидкість розчинення вольфраму. Всі досліджені марки сталей при високих температурах різання (порядку 1100 - 1200°С) навіть на мікрошвидкостях викликають катастрофічне зношування інструменту. Спостерігається руйнування шарів інструменту по задній поверхні. Стійкість інструменту не більше

2 - 6 хв. Різке падіння стійкості при підвищенні температури від 950 до 1250°С і більше пояснюється інтенсифікацією дифузійного розчинення й структурних перетворень у твердому сплаві.

Цікавими є дослідження різання з підігрівом карбідонеутворюючих металів (цинку, міді, частково нікелю і кобальту), а також тугоплавких карбідоутворюючих металів (хрому, ванадію, молібдену, титану, цирконію та ін.). Досліди, проведені при різанні нікелю, титану і цирконію, показали, що дифузія компонентів стандартних твердих сплавів у ці оброблювані матеріали має меншу швидкість, ніж при різанні сталі. Наприклад, вимірювання твердості в контактних зонах і травлення шліфів не виявили дифузії компонентів твердого сплаву в нікель до температури 1100°С, що свідчить про те, що значення коефіцієнта дифузії вольфраму в нікель менше, ніж для заліза.

Усі попередні досліди з вивчення дифузійних процесів при різанні на малих швидкостях зі штучним підігрівом представляли імітацію реального процесу.

Рисунок 1.33 - Зона контакту передньої поверхні при різанні сталі (косий зріз ? = 5?-6°; сталь 40 - ВК8; v  = 230 м/хв; t= 1,2 мм;

S = 2,17 мм/об; L = 9,5 м; g = 0°; ? = 45°; ?1 = 20°; ? = 0°)

При різанні матеріалів на високих швидкостях без попереднього підігріву навантажуючі напруження і температурне поле відрізняються від різання на мікрошвидкостях зі штучним підігрівом. Разом з тим експериментально доведено, що ці відмінності не викликають якісної зміни процесу взаємодії реагуючих пар, якщо температури у зоні контакту будуть близькими до зазначених у проведених дослідженнях. Кількісні зміни, пов'язані зі зменшенням часу контакту, проявляються тільки в зміні товщини і, мабуть, у характері дифузійних шарів. Насичення розчинника на межі поділу дифундуючим елементом, очевидно, не встигає відбуватися повністю, так само як не встигають утворюватися й інтерметалічні сполуки.

На рис. 1.33 наведено зону контакту стружки з передньою поверхнею при обробці сталі 40 сплавом ВК8. На межі поділу видно розчинення карбідів і навуглецьований шар 1 сталі у вигляді темної смуги. Характерно, що білий шар при обробці на зазначеному режимі виявити не вдалося. Очевидно, для насичення дифузійного шару вольфрамом у кількості, що відповідає стехіометричному складу фази Fе2W2С, часу занадто мало. Дифузійний шар розчину вольфраму в залізі також не виявлений.



загрузка...