CC BY
1
УДК 621.9.02 : 621.785.5
Метод выбора элементов
для модификации рабочих поверхностей инструментов ионно-вакуумной обработкой
с применением конфигурационной модели вещества
Ю. М. Зубарев, А. И. Круглов, М. А. Афанасенков, А. Ю. Меньшенин
Приведена методика выбора элементов для модификации рабочих поверхностей инструментов способом ионно-вакуумной модификации, основанная на применении теории оценки эволюции диссипативной системы «материал изделия — модифицирующие элементы».
Ключевые слова: повышение эффективности механообработки, ионно-вакуумная модификация, рабочие поверхности инструмента, статистический вес атома, стабильные электронные конфигурации, конфигурационная модель вещества.
Введение
Одной из основных тенденций современного машиностроения является повышение производительности механообработки при сохранении требуемых качества и точности деталей машин. Эффективность лезвийной обработки на современном этапе развития машиностроения в немалой степени зависит от работоспособности режущего инструмента, которая в первую очередь определяется сочетанием физико-механических свойств инструментального материала — твердостью, прочностью, износостойкостью и т. п. Однако получение оптимального сочетания таких свойств в объеме материала режущего инструмента представляет значительные трудности.
При решении сложной задачи повышения качества и надежности режущего инструмента большое значение имеет широкое применение различного рода покрытий его режущей поверхности, позволяющих экономить дефицитные материалы, значительно повышающие эксплуатационные характеристики инструмента, а значит, продлевающие его срок службы.
За последние годы накоплено большое число экспериментальных работ, использующих
потоки высокоэнергетических частиц. Однако необходимы научно обоснованные методики и алгоритмы действий при выборе материалов для ионно-вакуумной модификации (ИВМ) рабочих поверхностей инструмента и формирования на этих поверхностях износостойких функциональных слоев [1].
Традиционно в основе оценки влияния выбранных для ИВМ элементов на физико-химические и физико-механические свойства модифицированных поверхностей лежит термодинамический подход, основанный на опыте синтеза сплавов по равновесным стабильным диаграммам состояний. Однако нередко термодинамический анализ затруднен, так как материалы основы отличаются сложностью своего фазового и структурного состава, а во многих случаях для некоторых материалов данные по термодинамическим свойствам всех возможных стабильных и метастабильных состояний сплавов, количество которых резко возрастает для облученных материалов, просто отсутствуют.
В ходе ионного воздействия в поверхностных слоя материалов создаются неравновесные метастабильные состояния. При воздействии высоких температур с течением времени
происходит распад неравновесных фаз, сопровождающийся снижением энергии Гиббса, что приводит к переходу системы в термодинамически устойчивое состояние, характеризующееся минимумом свободной энергии. Таким образом, из-за сложности анализа многокомпонентных систем описание процессов с использованием неравновесной термодинамики и предсказание свойств модифицированных слоев материалов трудоемки, а в некоторых случаях практически невозможны.
Для описания механизма воздействия модифицирующих элементов на материал изделия (например, твердый сплав) можно предложить концепцию, основанную на анализе эволюции конфигурационной модели веществ, описывающей взаимодействие их электронных структур.
Основная часть
Конфигурационная модель вещества позволяет объяснять закономерности изменения свойств материалов и их сплавов при изменении содержания образующих их компонентов, а также прогнозировать свойства вещества в зависимости от их химического состава.
Изучение условий эксплуатации твердосплавных инструментов и закономерностей процессов, происходящих на их контактных поверхностях, позволило предложить концепцию рационального выбора структуры и состава модифицированного поверхностного слоя, помогающую отобрать элементы и соединения по их свойствам, выделяя те из них, которые определяют заданные или желаемые эксплуатационные характеристики инструментов. К числу таких свойств относятся прочность, пластичность, твердость, теплопроводность и адгезия с контактирующим материалом [2].
Для оценки физико-механических свойств материалов с помощью конфигурационной модели вещества необходимо рассмотреть структуры внешних электронных оболочек элементов, образующих материал изделия. Главным определяющим понятием конфигурационной модели является статистический вес атомов со стабильными электронными конфигурациями (СВАСК), которыми для переходных металлов
являются а0, а5 и для б- и р-элементов — Бр3 и Б2р6. Основные физико-химические свойства материалов (прочность, пластичность) зависят от соотношения статистических весов (долей) атомов с различными стабильными конфигурациями. Легирующие элементы приводят к перераспределению СВАСК в материале изделия, что, в свою очередь, изменяет физико-механические характеристики сплава [3].
Стабильные электронные конфигурации у атомов возникают в зависимости от количества внешних валентных электронов. Так, если атом в изолированном состоянии имеет один а-электрон, то велика вероятность того, что он его отдаст для создания сваск а5 или а10, а у ионного остова появится СВАСК а0. При дальнейшем рассмотрении элементов периодической системы Д. И. Менделеева в этой подгруппе с увеличением их порядкового номера растет количество а-электронов от одного до десяти и, соответственно, вероятность возникновения состояния а0 уменьшается, а возможность появления стабильного состояния а5 увеличивается [4]. При числе внешних электронов больше пяти повышается вероятность образования стабильной конфигурации а10. Основные параметры электронной структуры элементов, наиболее часто используемых в качестве модифицирующих, приведены в табл. 1.
Пользуясь табл. 1, можно произвести анализ конфигурационных моделей, например, основных твердых сплавов и минералокерами-ческих сплавов, применяемых для оснащения лезвийного режущего инструмента.
Входящие в состав металло- и минералоке-рамик тугоплавкие соединения WC, ТЮ, Т1К и А12О3 определяют их свойства. Соединение А12О3 состоит из алюминия с конфигурацией электронов Б2р1 и кислорода с конфигурацией Б2р4. Конфигурация, возникающая за счет перехода к кислороду электронов металла вследствие стремления его к достройке до стабильного состояния в2р6, определяет устойчивость системы к температурным воздействиям. Карбиды и нитриды имеют высокие СВАСК Бр3, а также конфигурации а5 за счет вольфрама и титана. Это объясняет их твердость и хрупкость. С понижением доли конфигураций Бр3 и при учете связки
Таблица 1
Статистические веса стабильных электронных конфигураций в переходных металлах
Металл Конфигурация валентных электронов изолированного атома Степень локализации электронов в металле Статистические веса стабильных конфигураций
Количество электронов, локализованных в конфигурации а5 Количество электронов, локализованных в конфигурации а10 Общее количество локализованных электронов Количество коллективизированных электронов 0 5 10
1 2 з 4 5 6 7 8 9
Бе заЧэ2 0,8 4 0,8 2,2 4 6 0
Т1 за24э2 2,2 0 2,2 1,8 7 з 0
V заз4э2 з,2 0 з,2 1,8 7 з 0
Сг за^1 з,5 0 з,5 2,5 7 7 0
Ее за64э2 2,7 4,6 7,з 0,7 0 4 6
Со за74э2 1,4 7,2 8,6 0,4 0 8 2
Ш за84э2 0,6 8,8 9,4 0,6 0 2 8
Си за104э1 0,4 9,2 9,6 1,4 0 8 2
У 4а105э2 1,4 0 1,4 1,6 з 7 0
Zr 4а25э2 2,6 0 2,6 1,4 8 2 0
ыъ 4а45э1 з,8 0 з,8 1,2 4 6 0
Мо 4а55э1 4,5 0 4,5 1,5 2 8 0
Ии 4а75э1 4,0 2,0 6,0 2,0 0 0 0
ИЬ 4а85э1 з,0 4,0 7,0 2,0 0 0 0
ра 4а105э0 0,9 8,2 9,1 0,9 0 8 2
Ag 4а105э1 0,2 9,6 9,8 1,2 0 4 6
Ьа 5а1бэ2 1,2 0 1,2 1,8 6 4 0
Ы£ 5а2бэ2 2,7 0 2,7 1,з 5 5 0
Та 5азбэ2 4,1 0 4,1 0,9 9 1 0
Ш 5а4бэ2 4,8 0 4,8 0,2 4 6 0
Ие 5а5бэ2 4,7 0,6 5,з 1,7 0 4 6
08 5а6бэ2 4,2 1,6 5,8 2,2 0 4 6
1г 5а7бэ2 з,4 з,2 6,6 2,4 0 8 2
Pt 5а9бэ1 2,0 6,0 8,0 2,0 0 0 0
Аи 5а10бэ1 0,5 9,0 9,5 1,5 0 0 0
кобальта с высоким сваск а10 на границах зерен, повышается прочность за счет повышения пластичности материала. Кроме того, к увеличению пластичности приводит возрастание концентрации коллективизированных электронов которые, обеспечивая типичную металлическую связь, определяют пластические свойства сплава.
Для достижения цели использована теория оценки эволюции диссипативной системы «материал изделия — модифицирующие эле-
менты», которая базируется на соображении, что элементы последней стремятся занять энергетически выгодные положения, определяющие общий минимум энергии системы. Именно таким положением являются стабильные электронные конфигурации на внешних оболочках атомов, составляемые коллективизированными электронами. Изменяя соотношения долей стабильных электронных конфигураций за счет электронов внедренных модифицирующих элементов, можно управ-
лять такими свойствами поверхностных слоев инструментов, как прочность, твердость и пластичность [5-7].
Принцип допущения, что система «материал основы — модифицирующие элементы» обладает способностью к самоорганизации в твердом состоянии как в процессе ион-но-вакуумной модификации, так и во время эксплуатации, лежит в основе методологии управления свойствами поверхностных слоев, нанесенных ИВМ. В ходе модификации поверхности для самоорганизации системы используются энергии инструментов ионно-вакуумной модификации, таких как ионы, атомы (кластеры), молекулы и капельная фаза вещества. При работе модифицированных изделий в их поверхностный слой поступает энергия, выделением которой сопровождается протекание процессов, сопутствующих работе изделия, таких как трение, упругие и пластические деформации, удары и т. д.
Для оценки изменения статистического веса (доли) г-й стабильной электронной конфигурации в системе «материал основы — модифицирующие элементы» по аналогии с формулой для определения концентрации разбавленных растворов можно использовать выражение:
т рг + т рг
р1 Чм.о^м.о ' "Чм.э^м.э
X
тм.о + тм.э
(1)
где Р1х — статистический вес (доля) г-й стабильной электронной конфигурации системы «материал основы — модифицирующий элемент»; тм.о и тм.э — атомные веса элемента основы и модифицирующего химического элемента; Р^ .о и Р^ .э — статистические веса (доли) г-й стабильной электронной конфигурации элемента основы и модифицирующего элемента, %.
На основе формулы (1) можно вывести корреляционные зависимости, оценивающие влияние элементов периодической системы, наиболее часто применяемых для модификации
Таблица 2
Упрочнители и пластификаторы для твердых сплавов
Упрочнители Пластификаторы
Т1, V, Сг, Ее, Zг, ЫЬ, Мо, Ии, ИЬ, Ы£, Та, W, Ие, 08, 1г №, Си, Ра, Ag, Аи
поверхности инструментальных материалов, на увеличение или уменьшение доли стабильных конфигураций (%) у кобальта — связки металлокерамических твердых сплавов [8].
Доли (веса) стабильных электронных конфигураций отвечающих за прочность, у кобальта — 28 %, из всех валентных электронов. Пластичность зависит от числа конфигураций которых у кобальта 72 %. Ниже приведены зависимости, оценивающие изменение долей конфигураций а5 и для кобальта, при модификации последних рядов элементов 1У-У1 групп Периодической системы элементов:
Дс^ = 6,730^ + 16,23^ + 21,09СОг + + 12,65ср6 + 14,58С2г + 29,37с№ + 37,160^ + + 32,84сдц + 20,35скь + 20,3сщ. + 39,986^ + + 51,49^ + 50,13ске + 42,75с0 + 30,61С1г -- (7,98 с№ + 10,38 с^ + 6,44 сы +
+ 15,52сAg + 2,81^а); (2)
ДСсО = 7,98 С№ + 10,38 Ссц + 6,44 Срй + + 15,52СЛ§ + 13,85СДЦ - (32,28^ + + 33,38Су + 33, 75С0г + 12,65СРв + + 43, 74С2г + 44,60^ + 54,08^ +
+ 54,29СW + 9,22С^), (3)
где Сг — атомная концентрация г-го модифицирующего элемента, %.
Увеличение долей соответствующих стабильных конфигураций указывает на повышение прочности и пластичности, уменьшение — на снижение этих свойств. Используя выражения (1)-(3), определяем упрочнители и пластификаторы для инструментальных материалов, которые представлены в табл. 2.
Рекомендации по выбору модифицирующих элементов можно использовать не только для ИВМ, но и более широко в процессах упрочнения, обусловленных поверхностным легированием материалов изделий.
Выводы
1. Основным определяющим понятием конфигурационной модели является статистиче-
ский вес атомов со стабильными электронными конфигурациями.
2. Предложенная концепция, описывающая взаимодействие электронных структур, например твердых сплавов и модифицирующих элементов, позволяет обосновать выбор наиболее эффективных элементов для ИВМ.
3. Получены корреляционные зависимости, оценивающие влияние наиболее часто применяемых для модификации поверхности инструментальных материалов на увеличение доли стабильных конфигураций.
Литература
1. Брюхов В. В. Повышение стойкости инструмента методом ионной имплантации. Томск: Томский политехнический университет, 2004. 120 с.
2. Верещака А. А., Бубликов Ю. И., Лыткин Д. Н. Влияние толщины нанослоев на эксплуатационные свой-
ства многослойных-композиционных наноструктуриро-ванных модифицирующих покрытий для металлорежущего инструмента. СПб.: Металлообработка. 2018. № 6 (108).
3. Зубарев Ю. М., Круглов А. И., Афанасенков М. А. Выбор модифицирующих элементов для направления формирования барьерных свойств функциональных подслоев поверхностного слоя инструментального материала. Волгоград: ВГТУ, 2016. С. 18-20.
4. Зубарев Ю. М., Круглов А. И., Афанасенков М. А. Технологические рекомендации по разработке процессов ИВМ материалов из керамических твердых сплавов. СПб.: СПбПУ, 2016. С. 15-17.
5. Максаров В. В. Использование анизотропных свойств металла для изготовления виброустойчивого инструмента. СПб.: СПбПУ, 201з. С. 192-196.
6. Максаров В. В., Кексин А. И. Технологическое повышение качества сложнопрофильных поверхностей методом магнитно-абразивного полирования. СПб.: Санкт-Петербургский горный университет, 2017. С. 47-57.
7. Максаров В. В. Моделирование процесса стружко-образования на основе реологических свойств металлов. СПб., 2014.
8. Сенчило И. А., Зубарев Ю. М., Круглов А. И. Технология обработки с использованием потоков высокоэнергетических частиц. СПб.: ПИМаш, 2004. 116 с.
Уважаемые коллеги!
Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.
Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.
Тираж 1500 экз., объем от 60 с., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10%-ная скидка. С 200з г. журнал включен в Перечень ВАК.
Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.
Для рекламодателей по запросу высылаем расценки.
Подписные индексы: по каталогу «Роспечать» — № 14250.
