CC BY
23УДК 621.9.047
ЭЛЕКТРОАЛМАЗНОЕ ШЛИФОВАНИЕ ТВЕРДОГО СПЛАВА ВК81
Х. М. РАХИМЯНОВ, доктор техн. наук, профессор, Б. А. КРАСИЛЬНИКОВ, канд. техн. наук, доцент, К. Х РАХИМЯНОВ, канд. техн. наук, доцент, М. И. НИКИТЕНКО, аспирант (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья получена 22 июня 2010 г.
630092, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: kharis51@mail.ru
Проведены исследования обрабатываемости твердого сплава ВК8 электроалмазным шлифованием. Установлены рациональные режимы обработки, определяющие высокую производительность процесса электроалмазного шлифования.
Ключевые слова: электроалмазное шлифование, твердый сплав, плотность тока, производительность, пассивация, износ, поляризация, растворение.
Researches of machinability firm alloy BK8 by electrodiamond grinding are carried out. The rational modes of processing defining high efficiency of process electrodiamond grinding are established.
Key words: enmlectrodiamond grinding, firm alloy, current density, productivity, passivation, wear, polarization, dissolution.
Развитие металлообрабатывающей промышленности, требующей более производительных станков и инструментов, обусловливает столь пристальное внимание к твердым сплавам. Твердые сплавы обладают рядом свойств (высокая твердость 86 - 92 НИЛ, высокое сопротивление износу при трении, а также способность сохранять эти свойства при повышенных температурах), позволяющие при их применении в конечном итоге в несколько раз повысить скорости резания по сравнению с использованием быстрорежущей стали.
Как известно, обработка труднообрабатываемых материалов наиболее эффективна при использовании метода электроалмазного шлифования.
Процесс электроалмазной обработки характеризуется комплексом сложных и различных по своей природе электрофизикохимических и механических явлений. Съем материала осуществляется в результате совместного воздействия электрохимического растворения и механического резания алмазными зернами [1, 2]. Для анализа факторов, влияющих на точность, качество обработанной поверхности и производительность электроалмазного шлифования,
необходимо оценить влияние всех процессов, протекающих при данной обработке.
Изучение особенностей анодного растворения металлов и сплавов в растворах электролитов возможно при анализе поляризационных характеристик, полученных с помощью известных методов исследования, таких как потенциодинамический метод и метод вращающегося дискового электрода.
Исследование особенностей анодного растворения твердого сплава ВК8 в условиях неподвижного электролита проводилось с применением потенцио-динамического метода. Данный метод основан на установлении зависимости скорости анодного растворения, характеризуемой величиной плотности тока, от потенциала анода.
В качестве электролитов для экспериментальных исследований особенностей анодного поведения твердого сплава были выбраны водные 10 %-е растворы нейтральных солей NaN03, №2Б04 и №С1.
Характер потенциодинамических поляризационных кривых анодного поведения сплава в растворах нейтральных солей NaN03, №2Б04 и №С1 в воде (рис. 1) показывает, что растворение в нитратных и
1 Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы», мероприятие 1.3.1. (проект П2571)
Рис. 1. Анодные поляризационные кривые твердого сплава ВК8 в 10 %-х водных растворах электролитов: 1 - NaN03; 2 - ШС1; 3 - N2S04
хлоридных растворах (кривые 1 - 3) происходит со значительными участками торможения процесса в области потенциалов ф = 2...3 В и ф = 4 - 8 В соответственно. Увеличение поляризации анода ведет к снижению плотности тока - одной из основных характеристик скорости электрохимического растворения. Вероятно, это связано с образованием на поверхности анода окисной пленки. Несмотря на небольшую толщину (порядка 30...50 Ä) окисные пленки обладают значительным омическим сопротивлением, что приводит к переходу металла в пассивное состояние [3]. Дальнейшее увеличение потенциала ведет к снижению плотности тока, что позволяет говорить о переходе металла в пассивное состояние, характеризующееся замедлением процесса растворения.
Таким образом, растворение твердого сплава в растворах NaN03, №2S04 и №С1 имеет схожий характер и сопровождается пассивационными явлениями. К торможению процесса растворения приводит пассивация одной из составляющих твердого сплава. Поэтому особенности анодного растворения твердого сплава ВК8 изучали по поляризационным характеристикам анодного поведения его компонентов.
На поляризационных кривых, полученных в нейтральных электролитах, наблюдается несколько характерных участков: А - растворение твердого сплава; В - область активного растворения; С - область пассивного растворения; D - область вторичной активности; Е - вторичной пассивности; F - пассивации сплава.
На участке А происходит растворение вольфрама, так как растворение кобальта начинается с больших значений потенциала. На участке В идет активное растворение сплава, преимущественно за счет связующей фазы. В начале участка С поверхность покрывается плотной пленкой из продуктов анодного растворения карбидной фазы. Травление осуществляется через отдельные поры, при этом наступает пассивация. Затем наблюдается перестройка пассивирующей пленки, меняется ее состав, она становится более рыхлой и покрывается сплошной сеткой трещин.
При дальнейшем росте потенциала (область В) поверхность образца покрывается толстой рыхлой пленкой, растворение локализуется в трещинах и наступает активация процесса за счет газовыделения. Плотности тока, достигаемые на этом участке, в 2-3 раза выше, чем на первом участке активности. В области В влияние скорости массопереноса и концентрации ионов электролита наиболее ярко выражено, чем в области В. Данная картина схожа с той, которая наблюдается при растворении чистого кобальта.
В области Е сплав покрывается плотной пленкой, диффузия компонентов раствора и продуктов растворения через нее затруднена. На участке Г сплав пассивируется.
Скорость анодного процесса в значительной мере определяется составом сплава, а также характером связи компонентов в нем (химическое соединение, твердый раствор, механическая смесь) [4]. Твердый сплав ВК8 представляет собой гетерогенную систему, в состав которой входят карбид вольфрама ^С) и кобальт (Со), находящиеся как в твердом растворе, так и в отдельных химических соединениях. По результатам поляризационных исследований анодного поведения твердого сплава ВК8 невозможно определить влияние каждого элемента, входящего в его состав, на растворение всей композиции в целом. В связи с этим необходимо проведение поляризационных исследований модельных материалов в выбранных растворах электролитов.
Особенностью анодного поведения вольфрама в растворах нейтральных солей является наличие участка активного растворения (рис. 2, кривые 1-3) в области значения потенциалов ф = 0,5...2 В и дальнейшего торможения процесса растворения вплоть до значений потенциала ф = 8 В. Это объясняется возникновением на поверхности анода при потенциале свыше ф = 2 В (рис. 2) окисных пленок, представляющих собой соединения вольфрама с кислородом W2О5 и WO3, что всегда свидетельствует о глубоком торможении процесса [5].
Рис. 2. Анодные поляризационные кривые вольфрама в 10 %-х водных растворах электролитов: 1 - Ш1ЧО3; 2 - Ыа^О.; 3 - ЫаС1
ТЕХНОЛОГИЯ
Анализ поляризационных характеристик анодного поведения вольфрама позволяет сделать вывод о его малорастворимости в растворах нейтральных солей №а№03, №а2804 и №аС1.
Анодное растворение кобальта в выбранных электролитах происходит в активном состоянии во всем исследуемом диапазоне потенциалов (рис. 3).
Рис. 3. Анодные поляризационные кривые кобальта в 10 %-х водных растворах электролитов: 1 - №а№03; 2 - №а2Б04; 3 - №аС1
Как отмечалось выше, при анодном растворении вольфрама имеются участки пассивации, тогда как кобальт активно растворяется в выбранных электролитах во всем исследуемом диапазоне потенциалов. Поэтому при анодном растворении твердого сплава ВК8 преимущественно будет растворяться кобальт, находящийся между зернами карбида вольфрама, до тех пор, пока доступный для ионов электролита кобальт растворится, а доступ к новым порциям кобальта будет «закрыт» зернами карбида вольфрама, покрытыми окисными пленками. Так, во время растворения твердого сплава ВК8 (рис. 1) при достижении потенциала ф = 3,5 В происходит резкое падение плотности тока (пассивация) вследствие завершения образования оксидной пленки карбида вольфрама, которая покрывает обе составляющие сплава.
Следует отметить, что поляризационные исследования анодного растворения твердого слава ВК8 и составляющих ее элементов - вольфрама и кобальта в растворах нейтральных солей №а№03, №а2Б04 и №аС1 проводились при неподвижном электролите, что объясняет возникновение диффузионных ограничений в процессе растворения. Это обстоятельство вызвало необходимость проведения поляризационных исследований анодного растворения материалов в условиях движущегося электролита с применением метода вращающегося дискового электрода (ВДЭ).
Применение метода вращающегося дискового электрода при исследовании анодного растворения металлов и сплавов позволяет определить наличие диффузионных ограничений в ходе процесса по характеру изменения скорости анодного
растворения, определяемой величиной плотности тока в зависимости от величины угловой скорости вращения анода.
Экспериментальные исследования влияния скорости вращения анода на растворение твердого сплава ВК8 в водных растворах нейтральных солей показали, что увеличение скорости вращения анода не приводит к изменению характера потенциодинамической поляризационной кривой (рис. 4-6) по сравнению с растворением твердого сплава в стационарных условиях (рис. 1). 0днако на графиках видно, что в условиях ВДЭ происходит увеличение плотности тока (около 50 %), по сравнению со стационарными условиями. Это связано с затруднением подвода и отвода реагирующих частиц (ионов электролита) в стационарных условиях, что существенно облегчается при использовании метода вращающегося дискового электрода.
На рис. 4 представлена зависимость растворения твердого сплава ВК8 в 10 %-м растворе №а№03 в условиях ВДЭ при различных скоростях вращения. Увеличение скорости вращения дискового электрода активизирует процесс растворения, что выражается в повышении величины плотности тока. Данный факт подтверждает наличие диффузионных ограничений. 0днако характер кривой остается неизменным, что говорит о преимущественно пленочной пассивации твердого сплава как в 10 %-м №а№03, так и в двух других электролитах.
Рис. 4. Анодные поляризационные кривые твердого сплава ВК8 в 10 %-м водном растворе Na2S04, в условиях ВДЭ при различных угловых скоростях вращения анода:
1 - VfB = 0 (рад/с)1/2; 2 - 4® = 7,6 (рад/с)1/2;
3 - Vrn = 10,8; (рад/с)1/2;
4 - VfB = 13,1 (рад/с)1/2; 5 - Vrä =15,2 (рад/с)1/2
Анионный и катионный состав электролита не изменяет характера растворения твердого сплава (рис. 5, 6). Влияние пассивирующих анионов NO3-; SO4;Cl- более всего проявляется в области F. Катионный состав электролита влияет на ход всех участков поляризационной кривой. На всех участках поляризационной кривой сплав активнее всего ведет себя в растворе хлористого натрия.
Рис. 5. Анодные поляризационные кривые твердого сплава ВК8 в 10 %-м водном растворе №2БО4, в условиях ВДЭ при различных угловых скоростях вращения анода:
1 = 0 (рад/с)1/2; 3 -л/ю = 10,8 (рад/с)1/2;
4 - >/ю = 13,1 (рад/с)1/2; 5 - 4® = 15,2 (рад/с)1/2
На рис. 7 представлены зависимости плотности тока при различных значениях потенциала от угловой скорости вращения анода. Анализ кривых показывает, что увеличение сопровождается уменьшением влияния диффузионных ограничений на процесс растворения сплава. Уменьшение ограничений выражается в повышении плотности тока при увеличении скорости вращения анода. Так, наибольший прирост плотности тока с увеличением скорости вращения
Рис. 6. Анодные поляризационные кривые твердого сплава ВК8 в 10 %-м водном растворе №С1, в условиях ВДЭ при различных угловых скоростях вращения анода:
1 - ч/ю = 0 (рад/с)1/2; 2 -Тю = 7,6 (рад/с)1/2; 3 = 10,8 (рад/с)1/2; 4 -4® = 13,1 (рад/с)1/2; 5 - л/ю = 15,2 (рад/с)1/2
анода достигается в 10 %-х растворах №КО3 и №С1 при потенциале ф = 3,5 В. В 10 %-м растворе Ка2Б04 при угловой скорости 10,7 (рад/с)1/2 плотность тока возрастает на 50 % по сравнению с использованием неподвижного электролита. Дальнейшее же увеличение скорости анода (свыше 17 (рад/с)1/2) не приводит к значительному росту плотности тока. Область потенциалов ф = 4...8 В, как и в случае неподвижного электролита, характеризуется пассивацией анода.
Рис. 7. Влияние угловой скорости вращения анода на плотность диффузионного тока твердого сплава ВК8 в 10 %-х водных растворах: а - ЫаЫО3; б - Ыа2804; в - ЫаС1;] = 1; 2; 3,5; 4 - кривые 1-4 соответственно
Согласно результатам исследований из трех составов электролитов наибольшая плотность тока, а следовательно, наиболее активное растворение было получено в 10 %-м растворе NaC1.
Увеличение скорости вращения анода не приводит к исключению зон пассивации, что связано с возникновением окисной пленки на исследуемой поверхности. Для увеличения скорости анодного растворения металла необходимо непрерывное удаление пассивирующей окисной пленки с поверхности анода (депассивация), что возможно реализовать в условиях электроалмазного шлифования.
Вследствие сочетания анодного растворения и механического резания на производительность процесса электроалмазного шлифования значительное влияние оказывают химический состав электролита и обрабатываемого материала, характеристики алмазного круга, а также режимы обработки. Режимы обработки можно разделить на электрические и механические. К электрическим относятся напряжение и полярность, а к механическим - глубина резания, давление круга на деталь, скорость резания. В данном исследовании эксперименты проводились на
4
а
а и, в
и, в
и, в
Рис. 8. Вольт-амперная зависимость процесса ЭАШ твердого сплава ВК8 в 10 %-х водных растворах: а - Ыа2804; б - ЫаС1; в - ЫаЫ03; кривые 1-3 при Р = 0,8 МПа 6, 15, 24 м/с соответственно; 4-6 при Р = 2 МПа
и Vp
и V = 6, 15, 24 м/с; 7-9 при Р = 3,2 МПа и V = 6, 15, 24 м/с
прямой полярности (алмазный круг подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, а деталь - к положительному). Напряжение изменялось от 0 до 8 В. Использовался алмазный круг на металлической связке М1 зернистостью 80/63 марки ПП 50x15x17 АСВ 80/63 М1 100 % ГОСТ 16167-90. Установлено, что увеличение зернистости алмазного круга от 50/40 до 100/80 не приводит к заметному изменению характера анодного растворения материала. Максимальная производительность процесса электроалмазного шлифования наблюдается при концентрации алмазов в круге, равная 100 %.
Благодаря механической депассивации, производимой зернами абразива, в значительной степени выравниваются скорости съема различных по своим электрохимическим свойствам фазовых составляющих сплава. Анодное растворение протекает при интенсивном обмене электролита на непрерывно обновляемой поверхности. Таким образом, при использовании ЭАШ удается избавиться от ограничений роста плотности тока, связанных с образованием окисных пленок.
Анализ рис. 8 показывает, что во всем диапазоне потенциалов участки пассивации отсутствуют. Также следует отметить, что увеличение давления до 3,2 МПа в значительной мере влияет на рост плотности тока, а следовательно, и скорости анодного растворения. Это связано с тем, что повышение давления способствует внедрению алмазного зерна на большую глубину в поверхность обрабатываемой детали, тем самым уменьшая межэлектродный зазор. Омическое сопротивление электролита снижается, вследствие чего происходит повышение плотности тока. Однако увеличение давления сверх критического значения приводит к возникновению нежелательного электроэрозионного процесса. Так, при повышении давления до 4 МПа алмазные зерна внедряются в поверхность обрабатываемой детали полностью, и происходит контакт связки алмазного круга с обрабатываемой деталью, следствием чего является возникновение эрозионных разрядов, в результате наблюдается местное оплавление как поверхности обрабатываемой детали, так и связки алмазного круга [5]. Как видно из анализа рис. 8, наибольшая плотность тока, а следовательно, и производительность достигаются при использовании в качестве электролита №КО3. Таким образом, дальнейшие исследования электроалмазной обработки твердого сплава ВК8 производились в 10 %-м водном растворе №КО3.
На рис. 9, а, б представлены зависимости плотности тока от режимов обработки: а - от скорости резания; б - от давления круга на деталь.
Скорость удаления пассивирующей пленки определяется количеством алмазных зерен в зоне контакта, которая зависит от скорости резания. С увеличением
б
в
А/см1 300 ■
200 ■
100
10
15
а
20
25 Vp, м/с
г,
АJen? 300
200
100 ■
0,5
1,5
2
б
2,5
3,5 Р, МПа
Рис. 9. Влияние режимов резания на плотность тока в условиях непрерывного обновления поверхности при ЭАШ
твердого сплава ВК8 в 10 %-м водном растворе NaN03: а - скорости резания при Р = 0,8; 2; 3,2 МПа - кривые 1-3 соответственно; б - давления круга на деталь при V1, = 6; 15;
24 м/с - кривые 1-3 соответственно
скорости резания до 15 м/с происходит рост плотности тока (рис. 9, а), в этом случае скорость удаления окисной пленки соизмерима или больше скорости ее образования. Однако дальнейшее увеличение скорости резания до 24 м/с приводит к снижению плотности тока, что связано с недостаточным количеством электролита в межэлектродном зазоре или нарушением сплошности тонкой пленки электролита, обусловленным наличием пузырьков воздуха, вносимых впадинами между алмазными зернами [6], что приводит к снижению скорости анодного растворения.
Таким образом, экспериментально установлено, что при стационарной электрохимической обработке твердого сплава ВК8 имеют место диффузионные и пассивационные ограничения, для устранения которых необходимо обеспечить движение электролита в межэлектродном зазоре и непрерывное обновление обрабатываемой поверхности в процессе анодного растворения, что обеспечивает повышение плот-
ности тока. Введение в обработку процесса непрерывного обновления анодной поверхности зернами алмазного круга приводит к повышению плотности тока в 5 - 5,5 раз по сравнению с растворением в стационарных условиях и в 3 - 3,5 раза по сравнению с растворением в условиях вращающегося дискового электрода при минимальных значениях обновляющих параметров (Р = 0,8 МПа; Vp = 6 м/с). Максимальная производительность ЭАШ наблюдается при Р = 3,2 МПа; Vp = 15 м/с (10 % №а№03). Установлено, что превышение критического значения давления круга на деталь (Р = 3,2 МПа) приводит к оплавлению как обрабатываемой поверхности, так и связки круга. Определена область рациональных режимов обработки (Р = 2...2,5 МПа; Vp = 10...20 м/с), определяющая высокую производительность и малый износ инструмента.
Список литературы
1. Зайдман Г.Н. Ограничения возможности повышения производительности электрохимической размерной обработки металлов / Г.Н. Зайдман, Г.Н. Корчагин // Электродные процессы и технология электрохимической обработки металлов [Текст] : сб. ст. - Кишинев : Штини-ца, 1980. - С. 56-60.
2. Прогрессивные методы абразивной обработки металлов [Текст] / И.П. Захаренко, Ю.Я. Савченко, В.И. Лав-риенко, С.М. Дягтеренко. - Киев : Техника, 1990. - 151 с.
3. Паршутин В.В. Электрохимическая обработка спеченных твердых сплавов [Текст] / В. В. Паршутин, В.В. Береза. - Кишинев : Штиница, 1987. - 231 с.
4. Высокопроизводительное электроалмазное шлифование инструментальных материалов [Текст] // М.Ф. Семко, Ю.Н. Внуков, А.И. Грабченко и др. - Киев : Вища школа,
1979. - 232 с.
5. Крейчман Б.М. Исследование закономерностей анодного растворения вольфрамокобальтовых твердых сплавов применительно к процессу электрохимической обработки [Текст] : дисс. ... канд. техн. наук / Б.М Крейчман. - Новосибирск, 1973. - 205 с.
6. Дабаин Г. Н. Исследование высокопроизводительного алмазно-электролитического шлифования твердых сплавов [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук: специальность 05.02.08 / Г.Н. Дабаин ; науч. рук. В.Н. Филимо-ненко; Новосибирск. электротехн. ин-т ; Челяб. политехн. ин-т им. Ленинского комсомола ; >ЕШБ. - Челябинск,
1980. - 18 с.
