Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Диффузионный износ инструментов из вольфрамокобальтовых сплавов

03.11.2018

При обработке стали с высокой скоростью резания и подачей на передней поверхности резцов из вольфрамовых сплавов образуется лунка износа, отделенная неизношенной площадкой от режущей кромки (рис. 6.31). Измерить температуру на поверхностях инструментов из твердых сплавов при помощи аппаратуры, используемой для быстрорежущих сталей, не представляется возможным, однако градиент температуры в резцах из твердого сплава должен быть такой же, так как источник тепловыделения того же вида — тонкая зона пластического течения, находящаяся в условиях металлического контакта с передней поверхностью инструмента. Лунка износа расположена в том же месте, что и на инструменте из быстрорежущей стали. Глубоко изношенная лунка расположена в зоне высокой температуры, а неизношенная площадка — в зоне низкой температуры у режущей кромки. Сечения по лунке износа в инструменте из WC—Co сплава свидетельствуют об отсутствии пластической деформации сдвига материала инструмента. Зерна карбидов равномерно изношены (рис. 6.32), и почти полностью отсутствуют данные о том, что какие-либо частицы достаточно большие, чтобы их можно было видеть в оптический микроскоп, были оторваны от поверхности инструмента.

Имеются веские доказательства того, что в процессе образования лунки износа на инструментах из WC—Co сплава атомы металла и углерода инструмента диффундируют в материал заготовки, находящейся в условиях схватывания с поверхностью инструмента, и уносятся стружкой. В предельном случае такой процесс наблюдали при изучении сечений по застрявшей в стальной плите пули из WC—Co сплава. На них представлен слой, образовавшийся в результате диффузионного растворения WC и Co в стали, расплавленной на поверхности раздела. На рис. 6.33 представлено такое сечение, в котором сталь находится сверху, а твердый сплав снизу, разделенные белым расплавленным слоем, содержащим частично растворенные закругленные зерна WC. Температура плавления эвтектической смеси WC и кобальта или WC и железа около 1300° С, и эта температура была достигнута в тонком слое на поверхности раздела. В данном случае скорость при ударе превысила 1000 м/с, и очень большое количество энергии было превращено в тепло за очень короткий промежуток времени. В опубликованной в 1952 г. работе автор выдвинул предположение, что процесс образования лунки износа в резцах из WC—Co сплава при обработке стали является также результатом плавления на поверхности раздела при температуре 1300° С. Однако при обработке режущими инструментами скорости резания более чем в 100 раз ниже, и данные о распределении температуры в инструментах из быстрорежущей стали, как, например, представленные на рис. 5.3, свидетельствуют о значительно меньшей температуре (900—1100°C) на поверхности раздела, когда впервые образуется лунка износа. Хотя эти температуры слишком низшие для плавления, однако они достаточно высокие для обеспечения значительной диффузии в твердом состоянии, и характерные особенности наблюдаемых поверхностей согласуются с процессом износа, основанным на диффузии в твердой фазе.


Изношенные твердосплавные инструменты могут быть обработаны в соляной кислоте или в других неорганических кислотах для удаления налипшей стали или чугуна и детального изучения изношенных поверхностей. Хотя кислоты растворяют до некоторой степени связующий кобальт, они не воздействуют на карбиды, поэтому, таким образом, может быть изучен износ инструментов из твердых сплавов в отличие от инструментов из быстрорежущей стали. На рис. 6.34 и 6.35 показаны поверхности лунки износа в инструменте из WC—Co сплава после обработки стали. Зерна карбидов в основном равномерно изношены, но иногда имеют протравленный вид, как, например, в большом зерне на рис. 6.35, в котором ступеньки, протравленные в поверхности, расположены параллельно одному из основных кристаллографических направлений. На поверхности часто можно видеть гладкие гребни, берущие начало от больших зерен WC и проходящие в направлении схода стружки (рис. 6.34). Равномерно полированные поверхности являются типичными для площадок, на которых отмечается быстрое пластическое течение материала заготовки непосредственно возле поверхности, тогда как протравленные поверхности видны там, где была достаточно высокая температура, а скорость пластического течения была меньше или имелся застойный слой на поверхности раздела.


Образование лунки износа за счет диффузии происходит только при сравнительно высоких скоростях съема металла. Эта и другие особенности износа инструментов из твердого сплава могут быть удобно сведены в карты обрабатываемости (рис. 6.36). На координатных осях карты отложены скорость резания и подача в логарифмическом масштабе, а штриховые диагональные линии представляют собой линии одинаковой скорости съема металла. На каждой карте показано появление основных характерных признаков износа для определенной пары материалов инструмента и заготовки при стандартной геометрии инструмента. Двумя сплошными линиями на рис. 6.36 отмечены условия, при которых впервые обнаруживается появление лунки износа, и условия, при которых износ становится настолько значительным, что вызывает разрушение инструмента в течение нескольких минут обработки. Карта обрабатываемости составлена для инструмента из WC—Co сплава, имеющего 6% Co, при обработке среднеуглеродистой стали. Появление лунки износа за счет диффузии представлено в виде функции как скорости резания, так и подачи, которая, как было найдено, является практически линейной зависимостью в широком диапазоне режимов резания. Например, предельное значение скорости резания, определяемое быстрым образованием лунки износа, составило 90 м/мин при подаче 0,25 мм/об, тогда как критическое значение скорости резания уменьшилось до 35 м/мин при увеличении подачи до 0,75 мм/об. Эти карты обрабатываемости и величины максимальной скорости резания свидетельствуют о важной роли, которую играет процесс образования лунки износа за счет диффузии, в ограничении скорости съема металла при применении WC—Co сплава для обработки стали. Максимальные скорости съема металла ненамного превышают скорости съема, получаемые при применении инструментов из быстрорежущих сталей, и по этой причине WC—Co сплавы редко применяются для обработки стали. В основном эти сплавы рекомендуются для обработки чугуна и цветных металлов, несмотря на то, что они могут успешно применяться для обеспечения большей стойкости инструмента при обработке стали со сравнительно низкими скоростями резания.

Так как диффузионный износ оказывает значительное влияние на работоспособность инструментов из твердого сплава, то имеет смысл рассмотреть этот вид износа более подробно. Скорость диффузии на поверхности раздела зависит от температуры, а также и от многих других факторов, таких, как относительный размер атомов, их химическое взаимодействие и взаимная растворимость материалов друг в друге. Должна быть определенная растворимость, чтобы диффузия вообще имела место. Так, например, было показано, что 7% WC могут раствориться в железе при температуре 1250° С. Таким образом, скорость диффузионного износа зависит от того, что иногда называют «сродством» материалов; большая разница в скорости диффузионного износа вызвана различием пар материалов заготовки и инструмента. Скорость износа в большей степени зависит от химических свойств, чем от механической прочности или твердости инструмента при условии, что инструмент достаточно прочный, чтобы выдерживать возникающие напряжения. По этой причине более высокая твердость мелкозернистых твердых сплавов не сказывается на повышении износостойкости. Фактически крупнозернистые твердые сплавы имеют большую износостойкость, чем мелкозернистые того же состава, хотя различие невелико.

Скорость диффузионного износа зависит от скорости диффундирования атомов из инструмента в материал заготовки, и теперь следует рассмотреть, какие атомы инструментального материала наиболее важны. В случае быстрорежущих сталей атомы железа из матрицы диффундируют в обрабатываемый материал до тех пор, пока изолированные частицы карбидов, остающиеся практически неповрежденными, не подрываются и уносятся целиком. У инструментов из твердых сплавов также наиболее быстрая диффузия происходит за счет атомов кобальта, связывающего частицы карбидов и атомов железа обрабатываемого материала. Отрыва и уноса зерен карбидов, однако, не происходит по двум причинам: во-первых, вследствие того, что частицы карбидов не изолированы, а составляют основную часть объема твердого сплава, поддерживая друг друга в жесткой несущей структуре; во-вторых, по мере диффузии атомов кобальта из инструмента атомы железа диффундируют в материал инструмента, и железо почти так же эффективно «скрепляет» карбиды, как и кобальт.

Несмотря на то, что атомы углерода малы и могут быстро перемещаться между атомами железа, в материале инструмента они прочно связаны с вольфрамом и не могут перемещаться самостоятельно. Именно скорость диффузии атомов вольфрама и углерода совместно в обрабатываемый материал и определяет скорость диффузионного износа. Он зависит не только от температуры, но также и от скорости уноса атомов, т. е. скорости течения материала заготовки непосредственно на поверхности инструмента, на расстоянии 0,001—1 мкм. Подобно тому как скорость испарения воды очень невелика в неподвижном воздухе, так и скорость диффузионного износа инструмента низкая там, где материал заготовки неподвижен на поверхности инструмента или очень близко от нее. На задней поверхности инструмента скорость течения обрабатываемого материала очень высокая, и диффузия может быть причиной высокой скорости износа задней поверхности даже в том случае, когда смежная с ней передняя поверхность практически не изношена. На рис. 3.5 видны равномерно изношенные зерна карбидов на задней поверхности. В условиях схватывания равномерный износ карбидных зерен может считаться достаточным подтверждением происходящего диффузионного изнашивания.

При обработке со сравнительно высокими скоростями резания, когда износ задней поверхности обусловлен диффузией, скорость износа быстро возрастает по мере увеличения скорости резания. На рис. 6.37 представлено семейство кривых износа задней поверхности в зависимости от основного времени при обработке стали твердосплавным инструментом в диапазоне более высоких скоростей резания. В WC—Co сплавах процентное содержание кобальта влияет на скорость диффузионного износа; износ задней поверхности возрастает с увеличением содержания кобальта, однако для ряда марок твердых сплавов, обычно применяемых для обработки резанием, различие в скорости износа не очень велико при условии отсутствия деформации инструментов.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: