CC BY
6ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.922.02
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ФЦП
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЛУБИНЫ РЕЗАНИЯ НА ИЗНОС АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ*
Н.С. АЛЕКСЕЕВ, канд. техн. наук В.А. КАПОРИН, аспирант А.В. РЯЗАНОВ, студент (РИИ, АлтГТУ, г. Рубцовск) Ю.Н. РОМАШОВА, магистрант (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 1 октября 2012 года.
Капорин В. А. - 658207, г. Рубцовск, ул. Тракторная 2/6, Рубцовский индустриальный институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, e-mail: tm@rubinst.ru
Приведены результаты исследований на износостойкость единичных абразивных зерен из электрокорунда и карбида кремния при микрорезании плазменных покрытий на никелевой и железной основе. Установлены количественные и качественные закономерности износа указанных шлифовальных материалов в зависимости от глубины микрорезания.
Ключевые слова: плазменные покрытия, абразивные материалы, микрорезание, износостойкость, микрорельеф, риска.
При сегодняшнем острейшем дефиците шлифованием. Эти трудности обусловлены по-
сельскохозяйственной техники, ее интенсивном вышенным износом абразивного инструмента и
старении и снижении показателей работоспо- интенсивным засаливанием его рабочей поверх-
собности особое значение имеет максимальное ности, что приводит к снижению производи-
использование имеющихся резервов ресурсо- тельности обработки и качества шлифованной
сбережения, важнейшим из которых является поверхности (прижоги, огранка, трещины).
восстановление изношенных деталей. Известно [2], что с увеличением глубины
К высокоэффективным технологиям восста- резания и одновременно с повышением темпе-
новления и упрочнения изношенных деталей ратуры в зоне контакта абразива с покрытием
относятся различные способы нанесения из- возрастают нагрузки на абразивные зерна. Эти
носостойких микропористых покрытий газо- обстоятельства и предопределяют закономерно-
термическим напылением, в частности, плаз- сти изменения износа абразивов в зависимости
менное напыление металлических порошков от глубины резания. Поэтому цель данной ра-
[1]. Для достижения необходимой точности и боты - исследование влияния глубины резания
качества поверхности деталей, восстановлен- на износ абразивных материалов при обработке
ных этим методом, используется абразивная плазменных покрытий.
обработка. Указанные исследования проводились при
Однако высокая адгезионно-химическая ак- резании одним зерном (микрорезании) по ме-
тивность и низкая теплопроводность указанных тодике [3]. Применение такой методики упроща-
покрытий создают трудности при их обработке ет наблюдение за изменением рельефа контакт-
* Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение № 14.В37.21.2065.
16
14-
8 12
5;
1 Ю
в
Э 6
N
__„
2
I
I
# I
2 -о
\ 1
5 Ю 15 20
Глубина микрорезания, мкм
в
' \
и
__ 2
I 1
5 Ю 15 20
Глубина микрорезания, мкм а
5 Ю 15 20
Глубина микрорезония, мкм
6
Рис. 1. Влияние глубины на износ абразивов при микрорезании: а - износ корунда (1) и карбида кремния (2) по покрытию на никелевой основе; б - износ корунда (1) и карбида кремния (2) по покрытию на железной основе; в - износ корунда
(1) и карбида кремния (2) по стали 45
ных поверхностей абразивного зерна в процессе износа.
Микрорезание выполняли со скоростью 35 м/с, продольной подаче стола 425 мм/мин и глубинах резания 5, 10, 15 и 20 мкм. Привод вращения изделия во время опытов отключался.
Для проведения исследований были выбраны электрокорунд белый (24А)1 и карбид кремния зеленый (64С)2, являющиеся представителями двух типов материалов (оксидов и карбидов). В экспериментах применялись серийные абразивные зерна из этих шлифовальных материалов зернистостью №40 по ГОСТ3647-80.
В качестве обрабатываемых материалов использовалось покрытие из порошка интерметал-лида марки ПВ - Н85Ю15 на никелевой основе, нанесенное плазменным способом, а также плазменное покрытие из порошковой смеси на железной основе, состоящей из 10 % по массе порошка интерметаллида марки ПВ - Н85Ю15, 10 % самофлюсующего порошкового сплава ПР-НХ17СР4, остальное - железный порошок ПЖРВ 2.200.26.
Металлографический и рентгеноструктур-ный анализ показал, что структура покрытия из порошка ПВ - Н85Ю15 состоит из легированного твердого раствора и сложной эвтектики на никелевой основе с различными включениями в виде оксидов и интерметаллидов типа №А1;
1 Далее просто корунд.
2 Далее просто карбид.
структура покрытия из порошковой смеси состоит из легированного твердого раствора и сложной эвтектики на железной основе с различными включениями в виде оксидов железа и никеля, а также интерметаллидов типа Бе№.
Микрорезанию подвергали также образцы из закаленной стали 45 твердостью 39.. .42 НЯС.
Результаты экспериментов по влиянию глу -бины резания на износ абразивов при обработке покрытий представлены на рис. 1.
Из рис. 1 следует, что величины износа карбида при обработке обоих покрытий имеют близкие значения и практически не зависят от глубины микрорезания.
В то же время износ корунда с повышением глубины микрорезания от 5 до 20 мкм резко интенсифицируется как для покрытия на никелевой (рис. 1, а), так и для покрытия на железной основе (рис. 1, б). При этом износ корунда в 5-7 раз выше карбида.
Повышенный износ корунда с возрастанием глубины резания можно объяснить его меньшей прочностью (твердостью) по сравнению с карбидом [4], а также повышением интенсивности физико-химического взаимодействия с покрытиями.
Так, на рис. 2 и 3 показаны снимки общего вида рабочих поверхностей абразивных зерен из корунда и карбида и результаты обработки спектра после микрорезания покрытия на никелевой основе на глубинах 5 и 20 мкм. После микро-
№№ 1 (58) 2013 91
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ФЦП
Элемент Весовой % Атомный%
О 46.23 64.07
А1 37.58 30.14
С 10.01 3.44
N1 6.19 2.34
Итого 100.00
Элемент Весовой % Атомный%
О 29.98 54.63
А1 21.62 20.65
С 10.79 6.05
N1 37.60 18.67
Итого 100.00
а б
Рис. 2. Общий вид рабочей поверхности абразивного острия из корунда и результаты обработки спектра после микрорезания покрытия на никелевой основе: а - с глубиной 5 мкм; б - с глубиной 20 мкм
Элемент Весовой % Атомный%
О 26.25 39.91
А1 1.50 1.36
61.06 53.14
С 7.44 4.04
N1 3.75 1.56
Итого 100.00
Элемент Весовой % Атомный%
С 30.04 52.96
О 11.04 14.61
А1 7.20 3.45
27.12 20.45
N1 23.61 8.51
Итого
а б
Рис. 3. Общий вид рабочей поверхности абразивного острия из карбида и результаты обработки спектра после микрорезания покрытия на никелевой основе: а - с глубиной 5 мкм; б - с глубиной 20 мкм
резания на глубине 5 мкм на площадках износа как корунда (рис. 2, а), так и карбида (рис. 3, а) видны лишь отдельные адгезионные налипы обрабатываемого материала, в то время как при микрорезании на глубине 20 мкм масштабы адгезии распространяются по всей площадке износа корунда (рис. 2, б) и на значительной ее части у карбида (рис. 3, б).
Микрорентгеноспектральный анализ рабочих поверхностей исследуемых зерен показал (рис. 2 и 3), что после микрорезания с глубиной 5 мкм количество никеля, перенесенного с покрытия на зерно, составляет для корунда и карбида 6,19 и 3,75 вес.%, а после микрорезания с глубиной 20 мкм - 37,60 и 23,61 вес.% соответственно.
Микрорентгеноспектральный анализ рабочих поверхностей зерен корунда и карбида после микрорезания покрытия на железной основе показал аналогичные результаты.
Полученные данные свидетельствуют о более высокой интенсивности физико-химического взаимодействия корунда по сравнению с карбидом по мере увеличения глубины микрорезания
плазменных покрытий на никелевой и железной основе.
Таким образом, в различных условиях микрорезания покрытия износ абразивов определяется, с одной стороны, соотношением прочностных свойств с обрабатываемым покрытием, а с другой - протеканием физико-химического взаимодействия абразивов с покрытием.
Как видно из рис. 1, в, при микрорезании стали 45 с глубиной 5 мкм износ карбида и корунда примерно одинаков. Однако с повышением глубины резания от 5 до 20 мкм износ карбида возрастает более интенсивно по сравнению с корундом. Наблюдаемое различие в износостойкости можно объяснить химическим сродством карбида кремния со сталью, которое активизирует адгезионно-химические процессы в контакте абразив-покрытие и оказывает существенное влияние на износ карбида.
Так, на рис. 4 показаны рабочие поверхности абразивного острия из карбида после микрорезания стали 45 на глубине 5 мкм (рис. 4, а) и 20 мкм (рис. 4, б). При микрорентгеноспек-тральном анализе поверхностного слоя пока-
Элемент Весовой % Атомный%
С 50.48 71.82
О 8.17 8.73
22.50 13.69
Бе 18.85 5.77
Итого 100.00
Элемент Весовой % Атомный%
С 24.23 52.34
О 6.91 10.75
8.51 8.09
Бе 60.35 28.83
Итого 100.00
а б
Рис. 4. Общий вид рабочей поверхности абразивного острия из карбида и результаты обработки спектра после микрорезания стали 45:
а - с глубиной 5 мкм; б - с глубиной 20 мкм
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
занных участков установлено, что содержание в них железа, перенесенного со стального образца, при глубине микрорезания 5 мкм составляет около 19 вес. % (рис. 4, а), а при глубине 20 мкм возрастает почти в 3 раза и составляет более 60 вес. % (рис. 4, б). Эти данные свидетельствуют о более активном химическом взаимодействии карбида со сталью 45 по сравнению с корундом.
В результате интенсивной адгезии происходит контакт налипшего металла с обрабатываемым, что приводит к увеличению силы микрорезания и возрастанию износа абразивного острия из карбида с повышением глубины резания (рис. 1, в, кривая 2).
На основании изложенного материала можно сделать следующие выводы.
1. Получены качественные и количественные характеристики износа корунда и карбида кремния в зависимости от глубины резания при обработке плазменных покрытий на никелевой и железной основе. Установлено, что при повышении глубины микрорезания износ корунда и карбида кремния увеличивается. При этом интенсивность возрастания износа корунда значительно выше.
2. Путем исследования износостойкости карбида кремния на разных глубинах резания установлены его более высокие показатели по сравнению с корундом, и тем самым показана экономическая целесообразность применения карбида кремния для шлифования плазменных покрытий на никелевой и железной основе.
3. Полученные данные свидетельствуют о существенной инертности карбида кремния по отношению к покрытиям как на никелевой, так и на железной основе, а следовательно, наблю-
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ФЦП
дается и меньшая интенсивность износа этого абразивного материала при микрорезании указанных покрытий.
4. Комплексными исследованиями с привлечением современных методов анализа (растровая электронная микроскопия, локальный ми-крорентгеноспектральный анализ) установлено значительное влияние адгезионно-химических явлений в зоне абразив-покрытие на износ абразива.
5. Использование установленных закономерностей позволит наметить пути уменьшения износа абразивов за счет снижения активности их взаимодействия с плазменными покрытиями. И одним из основных путей совершенствования процесса шлифования плазменных покрытий на никелевой и железной основе является изыскание абразивов, обладающих повышенной износостойкостью.
Список литературы
1. Ремонт машин в агропромышленном ком -плексе / под ред. М. И. Юдина. - 2-е изд., перераб. и доп. - Краснодар: КГАУ, 2000. - 688 с.
2. Носенко В.А. Шлифование адгезионно-активных металлов. - М.: Машиностроение, 2000. -261 с.
3. Алексеев Н.С., Иванов С.В., Бойко Е.А., Ка-порин В.А. Выбор абразивных материалов для шлифования плазменных покрытий на железной основе // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 2. -С.51-55
4. Алексеев Н.С., Иванов С.В., Капорин В.А. Механические свойства шлифовальных материалов и их износостойкость // Современные проблемы машиностроения: труды V Междунар. науч.-техн. конф., Томский политехн. ун-т. Томск: Изд -во Том -ского политехн. ун-та, 2010. - С. 155-157.
The research of deep cutting on wear-out of abrasive material during polishing plasma coatings
N.S. Alexeev, V.A. Kaporin, A.V. Ryazanov, Yu.N. Romashova
Presented are wear resistance testing results of single abrasive grains made of corundum and silicon carbide during microcutting nickel and iron based plasma coatings. Qualitative and quantitative relationship of the wear-out of the above-mentioned grinding materials during deep microcutting has been established.
Key words: plasma coating, abrasive materials, microcutting, wear-proof quality, microrelief, notch.
