CC BY
30
УДК 621.9
Механизм радикально-цепных реакций при лезвийной обработке металлов
В. Н. Латышев, А. Г. Наумов
Ключевые слова: лезвийное резание, трибология, смазочно-охлаждающие технологические средства, радикально-цепные реакции, смазочные пленки.
Положительное решение проблемы синтеза и применения смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) во многом определяется уровнем теоретических исследований в этой области. Процесс резания предполагает специфические особенности механизма действия внешней среды, которые зависят прежде всего от следующих факторов:
• высокие удельные давления и температуры на рабочих поверхностях режущего инструмента;
• наличие ювенильных неокисленных металлических поверхностей;
• протекание химических реакций и электрохимических процессов на границе раздела «инструмент — обрабатываемый материал»;
• высокая скорость деформации срезаемого металла;
• незначительное время контактирования стружки и обработанной поверхности с резцом.
Результаты наших экспериментальных и теоретических исследований позволяют описать механизм смазочного действия внешней среды при резании металлов на основе современных представлений о физике, химии и механике процесса лезвийного резания и наметить пути синтеза эффективных СОТС. В первую очередь это связано с изучением сложного и вместе с тем уникального механизма взаимодействия внешней среды с металлическими поверхностями. Основной причиной, определяющей специфический механизм действия среды при резании металлов, является наличие в контактной зоне резца и обрабатываемого материала физически чистых, неокис-ленных поверхностей, предельно активных в химическом отношении, высоких температур и давлений, а также необычных каталитических свойств ювенильных поверхностей, образующихся при разрыве металлических связей.
Такая поверхность соприкасается при резании или с естественной окружающей средой
(с воздухом, имеющим различные физико-химические свойства), или с искусственно вводимыми внешними средами. При этом взаимодействие ювенильной поверхности с компонентами внешней среды может характеризоваться различными сорбционными процессами, прежде всего физической и химической адсорбцией, а также абсорбцией. Характеристики контактной зоны таковы, что молекулы внешней среды, претерпевающие деструкцию, распадаются на атомы, ионы и радикалы, которые также являются химически активными частицами и способны вступать в химическое взаимодействие со свежевскрытыми металлическими поверхностями.
Учитывая указанные выше особенности контактной зоны, вполне допустимо считать, что на границе контакта «инструмент — обрабатываемый материал» будет преобладать образование новых химических соединений в результате протекания химических реакций между ювенильными металлическими поверхностями и компонентами внешней среды, т. е. процессы ионо- и хемосорбции. При этом физико-химическая активность этих поверхностей такова, что при их участии возможно инициирование протекания химических реакций с компонентами внешней среды, термодинамическая возможность которых маловероятна при обычных условиях. Так, изучение физико-химических превращений в зоне контакта при резании металлов с применением органических СОТС, проведенное М. Е. Мерчантом [1], показало, что количество продукта реакции в условиях зоны резания более чем в 2,5 раза превосходит аналогичный показатель, полученный при тех же условиях, но вне контактной зоны (рис. 1). Таким образом, при рассмотрении механизма смазочного химического действия СОТС следует учитывать процесс образования поверхностных радикалов, скорость химических реакций, каталитические явления на микроплощадках резца и стружки,
£ ,
з $
■о 1,0
Ив
а а
I
0,6
0,2
77,3 %
27,8 %
16
24
32
Т,ч
Рис. 1. Активирующее действие процесса резания на реакцию образования хлорбензола с магнием в эфире за время Т: 1 — в зоне контакта; 2 — в колбе
последствия химических реакций (образование пленок, тепло экзотермических эффектов реакций).
В соответствии с современными представлениями о механизме гетерогенных химических реакций процесс взаимодействия металлических поверхностей с внешней средой зависит от ряда условий, в том числе от электронного строения реагирующих молекул, наличия не-спаренных электронов, типа и прочности связей в молекулах различных соединений СОТС. Известно, что химическая реакция и процесс образования смазочной пленки на контактных площадках резца и стружки включают в себя несколько последовательных стадий:
• соударение молекул и атомов с электронами;
• образование поверхностных радикалов;
• период существования радикалов в свободном активном состоянии;
• элементарный акт химической реакции.
Рассмотрим факторы, влияющие на кинетику химических реакций при резании металлов. Первым и необходимым условием для протекания химических реакций является столкновение молекул или атомов реагирующих компонентов с ювенильными поверхностями. При резании металлов с высокими скоростями атомы или молекулы СОТС находятся в газообразном состоянии, а металлические поверхности — в упру-гопластическом, активированном с химической точки зрения состоянии. Химические реакции между ними будут возможны, если сталкивающиеся молекулы или атомы обладают избытком свободной энергии.
Из физической химии известно, что чем меньше разница между уровнями прямой и обратной реакций, то есть чем меньше энергия активации и чем больше молекул и атомов будут сталкиваться с поверхностью и между собой, тем выше скорость химической реакции. Таким
образом, одним из средств интенсификации химических реакций при трении и резании является подбор реагирующих веществ, обладающих малой энергией активации.
Скорость химической реакции может быть увеличена за счет катализаторов. Катализаторы уменьшают энергию активации химических реакций и таким образом способствуют увеличению числа активных молекул и атомов. В качестве катализаторов допустимо использовать металлы и их оксиды, карбиды, бориды, нитриды и другие соединения. Наряду с положительными катализаторами, ускоряющими скорость химических реакций, существуют и отрицательные катализаторы — ингибиторы, замедляющие скорость химических реакций.
Каталитическое действие различных металлов на процесс разложения СОТС и масел было показано в ряде наших работ [2, 3]. Так, методом дифференциально-термического анализа (ДТА) установлено, что при нагревании СОТС разлагаются и образуют промежуточные химические соединения, которые отличаются по своим свойствам от исходных компонентов. Металлы, присутствующие при термическом разложении СОТС, в процессе резания могут оказывать значительное влияние на физико-химические свойства образующихся промежуточных веществ и скорость их образования (рис. 2).
Расчет порядка химических реакций при взаимодействии различных металлов с микрокапсу-лированными СОТС1 показал, что для всех пиков на кривых дифференциально-термического анализа (ДТА-кривые) исследованных образцов микрокапсул (МК), микрокапсул, имеющих в своем составе магниточувствительный компонент, и их составных частей (см. таблицу) этот показатель получился дробным. Следовательно, при термодеструкции СОТС все процессы протекают не последовательно, а сложными параллельными путями. Причем увеличение температуры нагрева часто усложняло характер деструктивных процессов, что свидетельствует о реакциях, протекающих как внутри полимера оболочек микрокапсул, так и между полимером и ядром, полимером и металлом, ядром и металлом, а также между всеми компонентами и окружающей воздушной атмосферой.
Таким образом, задача синтеза эффективных СОТС для механической обработки металлов в значительной степени зависит от образующихся в процессе термического разложения СОТС промежуточных веществ, свободных радикалов и применяемых катализаторов. В большинстве случаев режущий инструмент
1 Микрокапсула — частица СОТС, имеющая размеры 0,1—50,0 мкм, окруженная непроницаемой для СОТС обо-
лочкой.
0
8
а)
б)
Т, °С
о)
т,°с
800
т,°с
т,°с
Рис. 2. Результаты дифференциально-термического анализа по взаимодействию кристаллического йода с различными металлами:
а — ВТ1-0: 1 — изменение температуры с течением времени; 2 — скорость изменения веса образца; 3 — кривая дифференциально-термического анализа ф^-0 + J2); 4 — кривая дифференциально-термического анализа ^^-0);
б — АМг-2: 1 — изменение температуры с течением времени; 2 — скорость изменения веса образца; 3 — кривая дифференциально-термического анализа (АМг-2); 4 — кривая дифференциально-термического анализа (АМг-2 + J2);
в — 12Х18Н10Т: 1 — изменение температуры с течением времени; 2 — скорость изменения веса образца; 3 — кривая дифференциально-термического анализа (12Х18Н10T + J2); 4 — кривая дифференциально-термического анализа (^Х^НЮ^;
г — У10А: 1 — изменение температуры с течением времени; 2 — скорость изменения веса образца; 3 — кривая дифференциально-термического анализа (У10А + J2); 4 — кривая дифференциально-термического анализа (У10А)
Расчетный порядок химических реакций микрокапсул и их отдельных компонентов в присутствии различных металлов
Образец металла Оболочки микрокапсул Магнитные оболочки микрокапсул Микрокапсула И-40А Микрокапсула с магниточувстви-тельным компонентом 50И-40А Микрокапсула СС14 Микрокапсула с магниточувстви-тельным компонентом 50 СС14
- 0,806 1,096 0,714 0,545 1,833 1,430 0,489 0,548 0,870 0,596
МЧВП 0,708 1,333 0,625 - - 0,595 0,676
12Х18Н10Т 1,275 1,031 2,211 1,235 1529 0,932 - -
Сталь 45 1,080 1,714 1,367 0,486 1,140 0,172 - -
ВТ-6 1,048 1,167 1,385 1,478 3,640 1,265 - -
Р-9 0,923 0,973 0,560 0,720 0,500 1,125 2,333 0,755 0,537 1,682
Примечание. В числителе дроби указан порядок реакции низкотемпературного пика на ДТА-кривой, в знаменателе — высокотемпературного.
и обрабатываемый материал представляют собой сложный комплекс катализаторов, в состав которого включены оксиды, карбиды, нитриды и другие соединения.
Другими факторами, от которых зависит активность химических реакций, являются агрегатное состояние применяемой среды и температура. Газовая и газообразная атмосферы способствуют интенсификации химических процессов, так как они содержат большее количество потенциальных активных молекул и радикалов, участвующих во взаимодействии с контактными поверхностями металлов. Так, в работе М. И. Клушина [4] по изучению эффективности распыленных СОТС установлено, что удельная поверхность воздушно-жидкостной высокодисперсной смеси с размерами частиц СОТС 12-25 мкм примерно в 700 раз превышает удельную поверхность нераспыленной жидкости (1 г распыленной жидкости имеет такую же поверхность, как 27 кг нераспыленной). Следовательно, газовая и паровоздушная атмосферы являются наиболее благоприятными с точки зрения ускорения и интенсивности химических реакций и образования защитных пленок.
Влияние температуры на скорость химических реакций также очень велико. Вследствие неравномерного распределения температуры по ширине и длине контакта стружки с резцом, а также наличия зон локальных вспышек в процессе резания химические реакции могут происходить на отдельных участках резца. Это было зафиксировано в наших исследованиях при резании стали 45 с применением различных СОТС. В большинстве случаев температура в зоне резания практически всегда бывает достаточной для термодеструкции технологических средств
и протекания химических реакций. В результате неравномерного распределения температуры и удельных давлений по длине контакта на разных участках передней поверхности образуются различные соединения: оксиды, сульфиды, хлориды, дийодиды металлов. Рентгеноструктурный анализ и электронно-микроскопические исследования показали, что на участках, непосредственно примыкающих к режущей кромке, образуются пленки сульфидов, хлоридов, дийодидов, а в точках отрыва стружки от резца — оксиды металлов (рис. 3).
2
1
5
Рис. 3. Схема расположения пленок на контактных площадках инструмента: 1 — МеС12; 2 — Ме^; 3 — МеБ; 4 — Ме^; 5 — Ме^.
В данном случае х и у — целые числа
3
Следующий фактор, который необходимо учитывать при составлении рецептур СОТС для резания металлов, — это соотношение между скоростью резания и скоростью химических реакций. Скорость деформации при резании металлов в среднем составляет 105-10 с-1, а скорость соударения реагирующих частиц или время элементарного акта химической реакции — 1018 с-1; скорость окислительных процессов еще более высока. Из сопоставления следует, что скорость химической реакции значительно выше скорости деформации при резании металлов, то есть акт элементарной химической реакции успевает произойти.
Исключительно важным фактором, определяющим химическую активность СОТС, является способность ее молекул разрушаться на реакционные частицы: атомы, ионы и радикалы, так как только при непрерывной генерации химически активных частиц возможна разветвленная, непрерывная химическая реакция, а следовательно, и поддержание на контактных площадках стабильных химических пленок, достаточных для ощутимого влияния образующихся пленок на трибологи-ческую обстановку контактной зоны. Процесс образования поверхностных радикалов при резании осуществляется различными путями, в том числе вследствие разрыва связей в молекуле СОТС свободными валентностями, в результате взаимодействия с электронами, эмитируемыми ювенильными поверхностями, с молекулами среды, благодаря термическому пиролизу и т. п.
Согласно первому способу, свободные валентности, образовавшиеся на поверхности стружки, аналогичны свободным радикалам, так как они могут взаимодействовать с молекулами СОТС. При этом молекула СОТС, имеющая малую энергию активации, разрывается, и образовавшийся в результате этого радикал насыщает валентность, то есть хемосорбирует-ся. Отличительной особенностью процесса резания является то, что он непрерывно образует свободные валентности, то есть генерирует «поверхностные» радикалы. В результате химического взаимодействия радикалов и атомов СОТС с ювенильной поверхностью гасится ее неуравновешенное силовое поле (свободные валентности), образуется смазочная химическая пленка и выделяется дополнительное тепло от экзотермической реакции.
Описанный случай образования радикалов, по-видимому, характерен при резании с низкими скоростями конструкционных сталей, а также при обработке легких и цветных сплавов. В данном случае процесс генерации радикалов зависит от силового поля
ювенильной поверхности, соотношения геометрических параметров кристаллических решеток деформируемого металла и размеров молекул СОТС.
Второй способ предполагает, что разрушение нейтральных молекул внешней среды на атомы и радикалы осуществляется в результате их взаимодействия с электронами или иными энергетическими частицами, в том числе и с квантами света, эмитируемыми юве-нильными поверхностями в результате термоэлектронной или фотоэлектронной эмиссии. Так, например, вследствие взаимодействия экзоэлектронов с нейтральными молекулами СОТС происходит передача энергии от электронов молекулам СОТС, активация последних и их распад с образованием радикалов и радикальных групп, активность которых обусловлена наличием на внешней оболочке электрона с нескомпенсированным спином. В общем случае подобные процессы при образовании перекисных радикалов можно описать следующим образом
Н20 + Ни(ё) ^ Н20* + Ни(в) Н. + ОН.
где Н2О*, О* — возбужденные молекулы воды и кислорода; Ь^и(ё) — энергия (электрон), эмитируемая ювенильной поверхностью; Н., ОН., О. — химические радикалы.
При взаимодействии гидроксильных радикалов образуется перекись водорода, эффект которой при резании обусловлен способностью выделять активный кислород:
ОН. + ОН. ^ Н2О2;
2Н2О2 ^ 2Н2О* + О2;
О2 + Ни(ё) ^ О2*. + Ни(ё).
О. + О.
Основными характеристиками, определяющими интенсивность эмиссии электронов, а следовательно, и процесс генерации радикалов, считаются температура, световые облучения (электромагнитные волны), абсолютная величина работы выхода электронов и его энергия. Работа выхода электрона составляет несколько электрон-вольт и является минимальной для таких металлов, как калий, натрий, литий. Для нержавеющих и жаропрочных материалов, содержащих, например, никель, работа выхода электрона в 2,0-2,5 раза выше.
Энергия электрона является одним из основных критериев образования радикалов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что электроны, эмитируемые с ювенильной поверхности металла, ускоряются в электростатическом поле, генерируемом при трении. При этом их энергия увеличивается и становится достаточной для разрушения нейтральных молекул смазки на радикалы. Используя метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), Б. И. Костецкий и соавторы установили, что при трении металлов в органических смазочных средах образуются сложные органические радикалы. Нашими исследованиями определено, что при совместном нагревании нитроксила и магнитных микрокапсул (ММК) наблюдалось уширение спектра эталона (рис. 4). Это свидетельствовало об уменьшении свободных связей нитроксила в результате протекания химических реакций. При изучении смеси нитроксила и озонсо-держащих магнитных микрокапсул (ОММК) спектр ЭПР представлял собой триплет, характерный для малой концентрации нитро-ксильных радикалов, что обусловлено повышенным количеством радикалов, выделив-
а)
НС СНз
О—Ы-
НС
Рис. 4. Способность озонсодержащих магнитных микрокапсул инициировать радикально-цепные реакции: а — структурная формула нитрокси-ла; б-г — спектры электронного парамагнитного резонанса: б — нитроксила; в — нитроксила с магнитными микрокапсулами; г — нитроксила и озонсодержащих магнитных микрокапсул
шихся при термодеструкции ОММК. Таким образом, чем меньше работа выхода электрона и выше его энергия, тем выше вероятность распада молекулы СОТС с образованием радикала и синтеза химической пленки.
Третий способ получения радикалов заключается в нагреве компонентов СОТС до высоких температур, то есть в термическом пиролизе. Данный метод получения радикалов особенно удобен при разложении органических жидкостей: масел, углеводородных смесей, поверхностно-активных веществ. В этом случае при нагревании до высоких температур усиливается колебательное движение атомов в молекулах, при достаточно высоких амплитудах колебаний разрываются связи между атомами. Указанный случай генерации радикалов характерен, по-видимому, при резании жаропрочных и нержавеющих сталей, а также при резании с повышенными скоростями.
После того как образовались радикалы, необходимо иметь в виду два обстоятельства: продолжительность их жизни и тип радикала. Исследования, выполненные научными школами Н. Н. Семенова и В. Н. Кондратьева, показывают, что продолжительность жизни радикалов различна и зависит от температуры, типа радикала, окружающей атмосферы и составляет для гидроксила в среднем 0,01-0,40 с, что на несколько порядков больше времени, необходимого для образования химического соединения.
В зависимости от того, соединения какого типа распадаются на атомы и радикалы, последние бывают двух видов: простые и сложные. При резании неорганические водные сма-зочно-охлаждающие жидкости (СОЖ, частный случай СОТС) образуют простые радикалы (монорадикалы, бирадикалы и трирадика-лы), а органические смазки — сложные радикалы. К простым радикалам, исследованным в данной работе, относятся хлор, сера, фосфор, йод, а к сложным — радикалы, образующиеся при пиролизе поверхностно-активных веществ, масел, микрокапсул.
В большинстве случаев химические реакции, протекающие при резании с применением СОЖ и газов, являются самопроизвольными и имеют радикально-цепной характер. Это было показано в наших работах на примере самопроизвольного образования и разложения перекиси водорода при резании сплавов на железной основе, автокаталитической реакции оксидов азота с титаном и твердыми сплавами, химического взаимодействия паров йода и серы с титановыми и никелевыми сплавами соответственно.
Исследование механизма химического взаимодействия радикалов среды с металлическими поверхностями, в первую очередь кислорода и воды — с ювенильными площадками стружки и резца, позволяет наметить пути целенаправленного регулирования химических реакции при резании, возможности создания за счет этих реакций защитных пленок на режущем инструменте и стружке. При этом нужно учитывать ряд факторов.
Во-первых, необходимо иметь в виду механизм, с помощью которого молекула смазки самопроизвольно разрушается в зоне резания на атомы и радикалы свободной «поверхностной» валентностью, электроном или электромагнитной волной, термическим пиролизом. Первый механизм действия (разрушение свободными валентностями) в основном характерен при резании с низкими скоростями (нет термостимулированной эмиссии электронов), разрушение молекул смазки электроном (квантом света) или пиролизом происходит при средних и высоких скоростях резания. Разрушение молекул СОТС электронами наиболее интенсивно проявляется при резании сталей с фер-ритной структурой (максимальная эмиссия) и в наименьшей степени при резании жаропрочных сплавов, имеющих структуру твердых растворов (минимальная эмиссия). В последнем случае распад молекул СОТС на ра-
дикалы происходит в основном за счет термического пиролиза.
Во-вторых, следует рационально подбирать компоненты СОТС, имея в виду в первую очередь два параметра молекулы: тип и прочность связи между атомами. По этим статистическим характеристикам можно заранее судить о возможности образования свободных радикалов и атомов и их реакционной способности. Наиболее благоприятными с точки зрения химической связи являются соединения типа -0-0-, 1-1, КО, СК
В-третьих, надлежит учитывать возможность активации нужных (положительных) химических реакций различными методами: ионизацией воздушно-жидкостной смеси электрическим полем, активированием газовой смеси светом оптимальной длины волны, активацией реакций ультразвуковыми колебаниями, электрическим током и т. д. (рис. 5). С помощью правильного подбора компонентов среды и соответствующего метода активации можно вызвать необходимую химическую реакцию и получить на трибосопряженных металлических поверхностях химические соединения с заранее заданными свойствами.
В ранее опубликованных работах авторов [2, 3] показано влияние различных пленок и отдельных химических соединений (окислов, сульфидов, хлоридов, йодидов) на
Рис. 5. Схема источников активации СОТС
трение и износ режущего инструмента, установлена корреляция между типом химического соединения и коэффициентом трения, выяснено влияние защитных пленок на колебания сил и температуры резания, определены оптимальные компоненты СОТС для различных контактных пар металлов. Теория радикально-цепного механизма образования смазочных пленок апробирована при резании металлов с охлаждением смазкой различными веществами, в том числе атомарным кислородом, перекисными соединениями, озоном, поверхностно-активными веществами с присадками галоидных соединений, другими соединениями. Подробно изучен механизм самопроизвольного образования перекиси водорода при резании металлов, выявлены условия ее появления и разложения, исследованы каталитические процессы распада перекиси водорода на ювенильных поверхностях различных металлов, предложены стабилизаторы разложения Н2О2 в целях поддержания в объеме СОЖ некоторого ее избытка. Дано теоретическое объяснение эффективного действия распыленных и ионизированных СОЖ и масел при резании некоторых сталей и сплавов с позиций механизма радикально-цепных реакций.
На основании экспериментальных данных в первом приближении установлена связь внутреннего строения молекул внешней среды с параметрами процесса резания металлов, а именно стойкостью резцов и температурой резания (рис. 6). Для различных химических соединений, образующихся на тяжелонагруженных контактных площадках резца и стружки, рассчитан кристаллохимический параметр, оп-
60
Быстрорежущий
инструмент ^ % 80
50
40
С
30
20
Твердосплавный инструмент
6 /
1 ~60 у/ \
\/2 / // \
4 \
\
100 200
300 400 500 600 700
800
г, °С
1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Длина связи в молекуле органического соединения,, А
Рис. 6. Влияние длины связи органического соединения в молекуле СОТС на стойкость инструмента т:
. — О-Н; о — ^Н; V — S-H; а — С-Р; ■ — С-ОН; д — С-Ы; ▼ — С-С1; х — С-Вг; □ — С^
№ 3 (51)/2009
Рис. 7. Обобщенная диаграмма влияния СОТС на стойкость т режущих инструментов:
I — окисленные масла с присадками высокого давления; 2 — кислородсодержащие эмульсии; 3 — минеральные масла; 4 — масляные эмульсии; 5 — твердые смазки S, С); 6 — кислородсодержащие СОЖ (О, Н2О2); 7 — СОЖ с химически активными радикалами Р, ^ С1); 8 — диффузионные среды; 9 — газообразный водород; 10 — газообразный углерод;
II — газообразный азот
ределяющий легкость скольжения межатомных плоскостей и фактически являющийся характеристикой фрикционных свойств пленок. Полученные экспериментальные данные позволили в общем виде составить схему действия СОТС в процессе резания, оценить влияние их отдельных видов (окислителей, эмульсий, масел, химически активных жидкостей и др.) на стойкость быстрорежущих и твердосплавных инструментов (рис. 7).
В целом представленная в настоящей работе теория о смазочном химическом действии среды при резании металлов заключается в следующем: вскрыты последовательные стадии механизма разрушения молекул СОЖ на атомы и радикалы, установлен радикально-цепной механизм химических реакций при резании (на примере перекиси водорода), составлена общая схема выбора компонентов СОЖ (исходя из внутреннего строения молекул и атомов), и намечены пути активации и регулирования нужных химических реакций с последующим образованием защитных пленок на контактных поверхностях резца и стружки. Полученные результаты позволяют высказать ряд соображений о научно-технических основах синтеза эффективных смазочно-охлаждающих сред.
1. В процессе резания смазочные функции выполняют не исходные компоненты СОТС, а промежуточные реакционные частицы (ато-
мы, ионы и радикалы), образующиеся при взаимодействии нейтральных молекул с юве-нильной поверхностью. При этом для развития радикально-цепной реакции требуется небольшая концентрация реакционных частиц. Поэтому при составлении рецептуры СОТС следует исходить из того, что ее основу должны составлять нейтральная жидкость (для выполнения транспортных функций, охлаждения, моющего действия) и небольшой процент реакционной присадки. Как было установлено в настоящей работе, для сплавов железа такими присадками могут быть перекиси и неорганические окислители, для обработки титановых сплавов — добавки йода, для никелевых сплавов оптимальными являются присадки серы.
Оценку эффективности режущих присадок целесообразно проводить на различных моделирующих установках: пирометрах для выявления принципиальной возможности реакции и устройствах, обеспечивающих образование ювенильных поверхностей, например на машинах трения в условиях заедания.
2. Введение реакционных присадок в СОТС не всегда нужно осуществлять во время технологического процесса ее изготовления. Так, например, период полураспада такой реакционной присадки, как перекись бензоила, при температуре 95 °С составляет 1 ч, поэтому она может разрушиться на радикалы еще до резания. Точно также озон и перекись водорода имеют высокую скорость разложения в воде и водных СОЖ; следовательно, озонирование СОЖ и растворение перекисей целесообразно делать непосредственно перед использованием СОЖ, то есть на рабочем месте.
Бромирование, хлорирование, йодирование и сульфирование технологических средств можно производить заранее, так как смазочные функции этих присадок проявляются при повышенных температурах и в контакте с ювенильными металлическими поверхностями. При введении таких присадок в состав СОТС необходимо, чтобы они были органически связаны с молекулами основного вещества, а не являлись механической примесью.
3. Синтезированные СОТС можно активировать с целью быстрейшего разложения их молекул в зоне резания на химически активные частицы. К таким методам можно отнести различные способы физического, химического и физико-химического воздействия (см. рис. 4).
4. При резании СОТС могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Исследования показывают, что эффективность смазочного химического действия среды зависит от интенсивности распада моле-
кулы на радикалы и скорости их перемещения к ювенильной поверхности. Как правило, в вязких, плотных жидкостях распад молекул на радикалы затруднен, так как последние не могут отойти друг от друга, то есть происходит их рекомбинация. В связи с этим газовая или паровоздушная атмосфера является более благоприятной для протекания химических радикальных реакций, потому что скорость перемещения свободных радикалов в газах в 160 раз выше, чем в жидкостях.
С учетом вышеизложенного можно предложить следующую ориентировочную схему разработки эффективных СОТС. Задается контактная пара металлов — контактирующие режущий инструмент и обрабатываемая деталь (химический состав, физико-механические и химические свойства, изменение свойств под действием температуры). Далее для них определяется работа выхода электрона, его возможная энергия, предполагаемый диапазон температур действия технологического средства, соотношение геометрических параметров кристаллической решетки обрабатываемого металла и параметров внутреннего строения СОТС. Устанавливаются исходные компоненты СОТС — основа и присадка, обеспечивающая смазочное действие. Основные принципы выбора такой присадки: расстояние между атомами в молекуле, прочность связи между ними, возможность разрушения на радикалы вследствие электронного удара, пиролиза, силового поля юве-нильной поверхности, химическая активность по отношению к обрабатываемому материалу. В заключение проводятся испытания СОТС: определяется принципиальная возможность протекания химических реакций, критические температуры, тепловой эффект реакции, то есть поведение инструментального и обрабатываемого материалов по отношению к компонентам СОТС, оценивается ее химическая активность, а также изменение трибологиче-ской обстановки контактной зоны.
Литература
1. Merchant M. E. Cutting fluid action and the wear of cutting tools // Conf. Inst. Mech. Eng. Lubrication and wear. London, 1957. P. 127—136.
2. Латышев В. Н. Повышение эффективности СОЖ. М.: Машиностроение, 1985. 65 с.
3. Наумов А. Г. Улучшение экологии процессов лезвийной обработки металлов // Станки и инструмент. 2002. № 7. С. 9-13.
4. Клушин М. И., Гордон М. Б. Применение распыленных жидкостей при резании металлов. Иваново: Книгоиздат, 1960. 50 с.
