CC BY
19
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.923
Исследование состояния рельефа и химического состава
поверхностного слоя коррозионно-стойкой стали в процессе экстремального взаимодействия при шлифовании
А. П. Митрофанов, А. А. Крутикова, К. А. Паршева
Результаты электронно-микроскопических исследований и микрорентгеноспектрального анализа обработанной поверхности коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т представлены совместно с оценкой состояния поверхности стружки, возникшей в результате налипания на рабочую поверхность круга в процессе шлифования. Установлено, что контактное взаимодействие поверхности стружки с обрабатываемым металлом происходит посредством адгезионного схватывания по небольшим площадкам контакта, что определяет напряженно-силовой характер шлифования и дальнейшее разрушение абразивного инструмента.
Ключевые слова: поверхностный слой, сталь 12Х18Н10Т, контактное взаимодействие, шлифование, электронно-микроскопические исследования, микрорентгеноспектральный анализ.
Введение
Характеристики свойств поверхностного слоя обрабатываемого материала зависят от множества факторов, в том числе немаловажную роль играют механические и физико-химические превращения, сопровождающие процесс абразивной обработки.
Специфика шлифования коррозионно-стойкой стали аустенитного класса, вязких и труднообрабатываемых материалов, связана с процессом экстремального взаимодействия ввиду налипания стружки на рабочую поверхность круга, в результате чего контакт носит характер металл по металлу. В связи с этим наблюдается чрезвычайно быстрый переход от резания к затуплению и засаливанию рабочей поверхности круга, что в конечном итоге приводит к разрушению абразивного инструмента.
Чтобы избежать столь нежелательных явлений и предложить меры по их предупреждению, необходимо понять особенность природы
контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом (12Х18Н10Т), протекающего в таких сложных и экстремальных условиях, наблюдаемых при шлифовании, что вкратце можно обозначить как цель этого исследования
Вопросами изучения специфики процесса шлифования труднообрабатываемых и адгезионно-активных сталей и сплавов занимаются как в России [1], так и за рубежом [2]. На основе полученных результатов таких исследований авторами предлагаются способы повышения эффективности абразивной обработки, в частности при шлифовании коррозионно-стойкой стали AISI 316 (08Х17Н13М2) — использование специальной криогенной среды [3].
В качестве методов исследования контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым металлом применяют электронную микроскопию [4], а для химического анализа поверхностного слоя — Оже-спект-роскопию [5], микрорентгеноспектральный анализ [2] и др.
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
IЕ ТяПИ О О Б РАБО TKi
Проявляемый интерес среди ученых говорит об актуальности и значимости поставленной научной проблемы для мировой науки и промышленности.
Методика исследований
Поверхности для дальнейшего проведения комплекса исследований получали с использованием экспериментального стенда на базе прецизионного профилешлифовального станка с ЧПУ Chevalier Smart-B1224III. В качестве исследуемого материала использовали аустенит-ную коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т с твердостью 200—220 НВ. Характеристика абразивного инструмента — 24AF60K7V5. Режимы обработки: скорость круга — 30 м/с; скорость стола — 15 м/мин; вертикальная подача — 0,02 мм/дв. ход. Съем материала (глубина резания) — 0,2 мм. Шлифование осуществляли с применением СОЖ — раствора кальцинированной соды (0,3 %).
Исследование химического состава и структуры поверхностей обрабатываемого материала проведено на основе последних мировых достижений в области физических методов контроля качества поверхности с использованием растрового двухлучевого электронного микроскопа Versa 3D LoVac при ускоряющем напряжении U = 5 + 20 кВ.
Процесс шлифования сталей данного класса сопровождается налипанием крупных стру-
жек на рабочую поверхность абразивного инструмента.
Для более полной оценки протекания физико-химических процессов в зоне резания исследовали стружку, налипшую на рабочую поверхность круга. Стружку аккуратно механически извлекали и изучали поверхность, контактируемую при шлифовании с образцом, и поверхность стружки, взаимодействующей с абразивными зернами.
Перед проведением электронно-микроскопических исследований для удаления загрязнений с поверхности образцы и стружку очищали в этаноле с использованием ультразвуковой ванны (мощность 50 Вт, продолжительность 3 мин).
Результаты исследований и их обсуждение
Электронно -микроскопические исследования обрабатываемой поверхности и контакти-руемой поверхности стружки показали, что их взаимодействие происходит через небольшие площадки контакта (рис. 1), следовательно, эти площадки будут центрами адгезионного схватывания. Из-за локальности контакта здесь возможно проявление двух процессов: разрушение поверхности за счет высоких нагрузок и напряжений и повышение температуры в результате работы трения.
Таким образом, процесс шлифования помимо непосредственного резания сопровожда-
а)
б)
3/25/2016 det mode HV mag □ WD I 11:02:00 AM ETD SE 15.00 kV 30 000 x 9.8 mm
5 tim-
VSTU Versa 3D
Рис. 1. Морфология поверхности стружки (а) и обрабатываемого металла ()) х30 000
Рис. 2. Общий вид обратной стороны стружки (а) и следы адгезионного взаимодействия с элементами абразивного инструмента (б)
ется циклическим адгезионным схватыванием с разрушением поверхности и высоким напряженно-силовым характером обработки, что, в свою очередь, способствует быстрому износу рабочей поверхности круга.
Исследование поверхности стружки, кон-тактируемой непосредственно с абразивными зернами и со связкой (обратная сторона стружки), подтверждает присутствие вдавленных в нее осколков абразивного материала (рис. 2, а). Кроме того, наблюдаются следы адгезионного взаимодействия составляющих абразивного инструмента со стружкой, что говорит о наличии плотного контакта с возможным образованием различных по природе химических соединений (рис. 2, б). Микрорентгеноспектральный анализ этих участков частично подтверждает высказан-
ную гипотезу (табл.), здесь отмечается высокое содержание алюминия и кислорода входящих в состав материала зерен элетрокорун-да (А12О3).
Процесс разрушения абразивного инструмента проявляется и на обрабатываемой поверхности, в результате чего обнаруживаются включения осколков абразивных зерен (рис. 3), которые в дальнейшем будут оказы-
Элементный анализ поверхности стружи (и = 15 кВ)
Исследуемая поверхность (рис. 2, б) Количественный элементный анализ, % атом.
O Al Si Na Fe Ni Cr
Spot 1 48,6 34,3 9,5 2,4 3,3 - 1,4
Spot 2 36,7 7,8 15,3 4,5 23,9 2,2 7,7
Area 1 15,3 0,8 1,0 2,4 57,1 7,1 14,4
|3б
№ 6 (96)/2016
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
11ЕТШЦБРА0ТКА
Рис. 4. Трещина на поверхности
вать влияние на резание и контактное взаимодействие.
В результате детального анализа установлено, что на обработанной поверхности в локальных участках возникают трещины с поперечным размером 200—400 нм и длиной 10—20 мкм, также от центральной трещины имеются ответвления меньшей размерностью (рис. 4).
Появление трещин на поверхности не характерно для шлифования этого материала, ввиду того что в основном разрушение поверхности происходит через резание, пластическую деформацию и вырыв. Нетипичный характер разрушения может быть объяснен концентрацией в локальном участке различных включений, имеющих хрупкую природу, или локальным перенапряжением.
центрацию напряжений в области контакта и включение механизма разрушения рабочей поверхности абразивного инструмента как наиболее хрупкой среды в отличие от пластичной и вязкой стали 12Х18Н10Т.
3. На поверхности стружки, контактирующей непосредственно с абразивным инструментом, обнаружены следы адгезионного взаимодействия материала стружки с составляющими круга и крупные осколки абразивных зерен.
4. В локальных участках поверхностного слоя обрабатываемого материала найдены микротрещины длиной 10—20 мкм с поперечным размером 200—400 нм и осколки абразивных зерен размером 2—3 мкм.
5. По результатам исследования можно сделать вывод, что определяющим фактором при шлифовании коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т является контактное взаимодействие стружки с обрабатываемым металлом. Соответственно для снижения адгезионных явлений и облегчения деформационных механизмов необходимо изменить стружкоотделение, переключив его в режим хрупкого разрушения, который проявляется существенным укорачиванием удаляемой стружки. Таким образом, низкие усилия, требуемые для диспергирования металла, значительно уменьшат нагрузку на рабочую поверхность абразивного инструмента, тем самым повысят его износостойкость.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-00841
Выводы
1. При абразивной обработке коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т наблюдается налипание (можно сказать, вдавливание) крупной стружки на рабочую поверхность круга, в результате чего отмечается значительное по площади контактное взаимодействие металла по металлу, что определяет напряженно-силовой характер шлифования.
2. Установлено, что взаимодействие поверхности стружки с обрабатываемым металлом происходит посредством адгезионного схватывания по небольшим площадкам контакта, таким образом, локальность обеспечивает кон-
Литература
1. Носенко В. А., Носенко C. B. Технология шлифования / ВПИ (филиал) ГОУ ВПО ВолГТУ. Волгоград: ИУНЛ ВолГТУ, 2011. 425 с.
2. Swati Ghosh M. Kiran Kumar, Vivekanand Kain High temperature oxidation behavior of AISI 304L stainless steel — Effect of surface working operations // Applied Surface Science. 2013. Vol. 264. P. 312-319.
3. Manimaran G., Pradeepkumar M., Venkatasamy R. Influence of cryogenic cooling on surface grinding of stainless steel // Cryogenics. 2014. Vol. 59. P. 76-83.
4. Wojciech Kaplonek, Krzysztof Nadolny. Assessment of the grinding wheel active surface condition using SEM and image analysis techniques // Journ. of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2013. Vol. 35. P. 207-215.
5. Баранов А. В., Вагнер В. А., Быкова О. В. Спектральный элементный анализ стальных поверхностей трения / / Ползуновский альманах. 2008. № 3. С. 35-36.
мол а.
