Образование и износ оксидных пленок на шлифованных стальных поверхностях Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

5. Патент № 2508969 Российская Федерация. МПК Б23Е5/20. Универсальный зубофрезерный станок./ Р. М. Хисамутдинов, Ю. А. Ведерников. № 2012127668; заявл. 02.07.2012; опубл. 10.03.2014, бюл. № 7; приоритет 02.07.2012.

6. Пашков М. В., Хисамутдинов Р. М. Факторы технологической системы, влияющие на точность зубооб-работки: Сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. «Новые технологии наукоемкого машиностроения: приоритеты

развития и подготовка кадров». Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2013. С. 112-116.

7. Пашков М. В., Хисамутдинов Р. М. Анализ погрешностей, возникающих на операциях зубофрезеро-вания: Сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. «Новые технологии наукоемкого машиностроения: приоритеты развития и подготовка кадров». Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2013. С. 117-121.

УДК 621.9.019

Образование и износ оксидных пленок на шлифованных стальных поверхностях

И. П. Никифоров, В. В. Иванов, И. В. Барсук

Показано влияние тепловой напряженности в зоне шлифования на динамику роста оксидных слоев и количество микроприжогов. Разработан метод идентификации оксидных пленок на основе анализа GRB-цветового изображения шлифованной поверхности. Аргументированы известные и предложены новые технологические методы повышения износостойкости пар трения.

Ключевые слова: шлифование, тепловая напряженность, прижог, износостойкость.

В процессе шлифования в локальных зонах контакта единичных абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью температура может достигать 1200-1500 °С. В результате происходят неуправляемые химические реакции, фазовые превращения и на поверхности заготовки появляются прижоги, микротрещины, внутренние напряжения.

Прижоги бывают видимыми и невидимыми [3]. Принято считать, что видимые прижоги в большинстве случаев можно обнаружить невооруженным глазом, так как признаком их наличия являются цвета побежалости — следствие образования оксидных пленок, толщина которых составляет сотые доли микрометра. На шлифованных поверхностях отдельные видимые прижоги могут занимать площади в несколько десятков и сотен квадратных миллиметров.

Окисление стальных изделий при шлифовании и в ходе эксплуатации — это процесс: • хемосорбционный, характеризующийся быстротечными реакциями на ювенильных поверхностях [2];

• диффузионный, зависящий от температуры;

• экзотермический, сопровождающийся выделением теплоты;

• самотормозящий, снижающий динамику роста оксидных пленок по логарифмическому (при температурах до 400 °С) либо по параболическому (при температурах 500-1100 °С) законам [1].

Целями экспериментальных исследований являются установление степени влияния тепловой напряженности в зоне шлифования на образование и рост оксидных пленок и анализ износа оксидных слоев в условиях трения.

Известно, что температура в зоне резания зависит от множества факторов, в число которых входят режимы шлифования. Наибольшее влияние из них оказывает глубина резания. Поэтому в качестве влияющего фактора при планировании эксперимента плоского шлифовании выбрана вертикальная подача за двойной ход. Остальные условия эксперимента оставались неизменными.

Исходя из технических характеристик плоскошлифовального станка 3Г71, учитывая надежность закрепления заготовки на магнитной плите, в целях обеспечения видимых различий в количествах выделяемой теплоты в процессе резания выбраны следующие режимы и условия обработки: скорость резания — 35 м/с; продольная подача — 20 м/мин; вертикальная подача за двойной ход (первый влияющий фактор эксперимента) — 2, 5 и 8 мкм; число двойных ходов — 10; материал заготовки — сталь 20 (твердость 150НВ); материал круга — электрокорунд белый 25А; выхаживание не производилось; шероховатость шлифованных поверхностей Ra = 0,30 - 0,32; охлаждение отсутствовало; число параллельных опытов — 3.

Количество теплоты, выделяющейся в процессе шлифования, пропорционально изменению температуры заготовки, максимальное значение которой до и после обработки измерялось при помощи бесконтактного инфракрасного термометра Infrared Thermometers 56X.

Поскольку температура в значительной степени влияет на скорость диффузионно-окислительных процессов, то толщина оксидных пленок на поверхности заготовки будет непостоянной и зависеть (в том числе) от особенностей контакта единичных абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью.

Поверхности образцов после шлифования рассматривали под микроскопом Axiovert 40 MAT с увеличением Х1000, предназначенным для проведения металлографических исследований, и оцифровывали в файлы формата bmp. Для решения проблемы малой глубины резкости и создания 3Б-моделей использовали программу обработки цифровых изображений Helicon Focus.

В целях оценки протекания окислительных процессов во времени микроскопические исследования проводили по истечении 1, 8 и 15 дней (второй влияющий фактор эксперимента) с момента шлифования образцов.

По истечении 15-дневного периода шлифованные поверхности подвергали трению, т. е. износу. При этом использовали стальной диск, приводимый во вращение с постоянной силой прижима к образцу, имитируя работу машины трения (контактирующие материалы — сталь—сталь). После истирания образцы вновь рассматривали под микроскопом.

Процентное содержание оксидных пленок некоторой толщины на единице поверхности образца определяли по цветам побежа-

лости, которые идентифицировали при помощи специально разработанной программы в среде Matlab.

Суть метода, использованного в данной компьютерной программе, состоит в вычислении расстояния в системе RGB между вектором значений пикселя исходного изображения (микрофотоснимка) и векторами значений для заданных цветов (цветов побежалости) некоторого файла-эталона по формуле

Ak = "J(Lij1 ~ Rk ) + (Lij2 " Gk ) + (Lij3 " Bk ) ,

где k — номер цвета из файла-эталона (табл. 1, см. обложку); Lijl, Lj2, Lj3 — интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно красной, зеленой и синей составляющих цвета исходного изображения; i, j — координаты пикселя соответственно по высоте и ширине исходного графического изображения; Rk, Gk, Bk — интенсивности составляющих цветов из файла-эталона.

Значения исходного вектора заменяли значениями того вектора, который в системе RGB расположен наиболее близко к исходному:

Lij1 = Rk; Lij2 = Gk; Lij3 = Bk; критерий замены — Ak ^ min.

Файлом-эталоном являлся фрагмент одной из микрофотографий шлифованной поверхности с ярко выраженными цветовыми переходами и хорошо различимыми цветами побежалости.

Пример микрографического изображения шлифованной поверхности представлен на рис. 1, а, результат работы компьютерной программы — на рис. 1, б (см. обложку). Соответствие цветов толщине оксидных пленок [5] приведено в табл. 1 (см. обложку). При расчете путем аппроксимации принято: толщина белых слоев — 0,040 мкм, черных — 0,082 мкм (эти цвета не относятся к цветам побежалости).

С помощью программы Helicon Focus получена трехмерная модель поверхности (рис. 2, см. обложку), на котором хорошо видны бороздки — результат работы абразивных зерен при плоском шлифовании методом продольной подачи, и темные области, которые представляют собой визуализированные последствия высокой тепловой напряженности и ускоренных окислительных процессов в локальных зонах.

1 день

8 дней

15 дней

15 дней, износ

в, мкм/дв. ход

в, мкм/дв. ход

в, мкм/дв. ход

в, мкм/дв. ход

Рис. 3. Влияние вертикальной подачи за двойной ход в и времени, прошедшего с момента шлифования, на структуру оксидных пленок:

И — более 0,072 мкм (микроприжоги); Е1 — 0,046—0,072 мкм (побежалость); — до 0,046 мкм (светлые тона)

Поскольку цвета побежалости являются признаками видимых прижогов, можно утверждать, что на шлифованной поверхности они многочисленны. Однако, с нашей точки зрения, логичнее ввести термин «микроприжоги», относящийся только к наиболее темным локальным зонам, где толщина пленок по расчетам превышает 0,08 мкм.

Поперечные размеры микроприжогов на поверхности заготовки составляют от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров и поэтому могут быть различимы только под микроскопом со значительным увеличением (х500-1000).

Замер температуры образцов до и после шлифовании показал: при вертикальной подаче 2; 5 и 8 мкм/дв. ход она повышалась в среднем соответственно на 0,6; 4,2 и 8,5 °С. Это подтверждает значительное повышение тепловой напряженности в зоне резания при увеличении глубины внедрения абразивных зерен в тело заготовки. Результат высоких градиентов температур — увеличение количества микроприжогов и суммарного объема оксидных слоев на единице площади обработанной поверхности.

Интересным фактом является то, что дальнейшее окисление на воздухе поверхностей образцов, шлифованных при разной тепловой напряженности, происходило с различной интенсивностью. Это видно из диаграмм на рис. 3, где приведены данные по процентному содержанию оксидных пленок различной толщины (включая микроприжоги, см. также рис. 4) в зависимости от вертикальной подачи за двойной ход и времени, прошедшего с момента шлифования.

На наш взгляд, это связано с фазовыми превращениями, которые произошли на шлифованной поверхности в результате высоких локальных температур. Цвета побежалости и микроприжоги в данном случае являются косвенными признаками наличия и внутренних преобразований — изменения первичных фаз. Образовавшиеся новые фазы с измененной структурой и дефектами определяют кинетику диффузионных процессов и приводят к более интенсивному увеличению толщины оксидных слоев.

Появление сосредоточенных темных областей с течением времени в атмосферной среде на поверхности углеродистых сталей, возмож-

в, мкм/дв. ход

V \\\ч

\ \ \

\ к

\ \

\ : \

5 10

Время, дни

15

Рис. 4. Влияние вертикальной подачи за двойной ход в и времени, прошедшего с момента шлифования, на процентное содержание микроприжогов

Таблица 2

Объем оксидов (мм3 на 1 м2)

Вертикальная подача, мкм/дв. ход Время, прошедшее после шлифования, дни Степень износа, %

1 8 15 15 (после износа)

2 44,0 49,1 52,6 43,6 17,1

5 45,3 49,5 54,3 43,6 19,7

8 46,7 50,5 59,4 43,4 26,9

но, также связано с тем, что в зернах перлита феррит является более электроотрицательным (анод), чем цементит (катод), а поэтому будет окисляться в первую очередь, т. е. имеет место естественная гальваническая пара. В результате в области зерен перлита оксидные пленки будут формироваться более интенсивно.

Исходя из толщины оксидных пленок и занимаемой ими площади, определен общий объем оксидных слоев на единице поверхности (табл. 2). После истирания образца (износа) на шлифованной поверхности остаются в основном тонкие пленки, и их структура во всех проведенных опытах идентична. Пример типовой микрофотографии шлифованной поверхности после износа представлен на рис. 5 (см. обложку).

Следует заметить, что после истирания образцов объем оксидных слоев уменьшается, а степень их износа в конечном итоге зависит от первоначальных условий шлифования (табл. 2).

Таким образом, более толстые оксидные слои, идентифицированные как микропри-жоги, изнашиваются более интенсивно. Это подтверждает данные о том, что наилучшие защитные свойства имеют оксиды железа толщиной порядка 0,02-0,03 мкм [4]. Кроме того, оксидные пленки при их росте склонны к разрушению по разным другим причинам [2].

В целях обеспечения износостойкости стальных поверхностей, работающих в парах трения, при их изготовлении методом шлифования необходимо стремиться к получению равномерных тонких оксидных слоев. Один из путей — уменьшение тепловой напряженности в зоне резания, недопустимость высоких градиентов температур. Этому могут способствовать следующие хорошо известные технологические методы:

• снижение режимов шлифования (глубины резания, скорости резания);

• увеличение времени выхаживания;

• использование смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС);

• применение прерывистых, комбинированных и импрегнированных кругов;

• правильный подбор абразивного материала, зернистости, связки, номера структуры; применение высокопористого инструмента;

• при изготовлении кругов использование абразивных зерен с острыми режущими кромками (например, за счет прогрессивных методов сепарирования), в том числе ориентированных;

• применение эффективных методов правки.

К вышеперечисленным методам следует добавить те, которые не используются на практике или являются совершенно новыми, однако в рамках решаемой задачи — повышение износостойкости пар трения, могли бы получить широкое применение после дополнительно проведенных исследований. К ним относятся:

• изменение физико-механических свойств обрабатываемого материала до шлифования (термообработка, легирование, специальные покрытия) в целях изменения характера съема стружки — переход от сливной стружки к стружке скалывания или в целях изменения протекания реакции окисления;

• ингибирование окислительных процессов в зоне резания: обработка в инертных, бескислородных и иных средах (например, в среде сернокислого аммония [6]).

Выводы

1. Первоначальная толщина и динамика роста оксидных пленок, включая области, соответствующие видимым микроприжогам, зависят от тепловой напряженности в зоне резания при шлифовании.

2. Идентификация оксидных слоев может быть проведена на основе анализа СИВ-цветового изображения (микрофотографии) шлифованной поверхности.

3. Оксидные слои толщиной свыше 0,05 мкм изнашиваются более интенсивно.

4. В целях обеспечения износостойкости пар трения при их изготовлении методом шлифования необходимо применять меры, способствующие снижению тепловой напряженности в зоне шлифования.

Литература

1. Коррозия и защита металлов. Ч. 1. Химическая коррозия металлов // Н. А. Азаренков [и др.] Харьков: ХНУ, 2007, 187 с.

2. Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. 472 с.

3. Калинин Е. П. Теория и практика управления производительностью шлифования без прижогов с учетом затупления инструмента. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2009. 358 с.

4. Костржицкий А. И., Чебан Т. В., Подолян Р. А. Оксидные пленки на поверхности железа и их физико-химические характеристики // Электронная обработка материалов. 2007. № 3. С. 50-55.

5. Рябухин А. Г., Тепляков Ю. Н., Гусева С. В. Окисление железа на воздухе при температуре 575 + 0,2 °С (точка Шадрона) // Изв. Челябинского научного центра. 2003. Вып. 1 (18). С. 33-36.

6. Цокур А. К., Цокур В. П. Роль физико-химических явлений в тепловом балансе при шлифовании // Науков1 пращ Донецького национального техн1чного ун1верситету. Сер.: Машинобудування 1 машинознав-ство. 2007. С. 56-61.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

В. К. Свешников. Станочные гидроприводы: Справочник. — 6-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. ISBN 978-5-7325-1057-7 Цена: 550 руб.

Книга продается только в электронном виде!

Рассматривается информация, необходимая для проектирования и эксплуатации гидрооборудования. Приведены конструкции, параметры и размеры гидрооборудования главным образом стационарных машин, в том числе насосов, объемных гидродвигателей, гидроаппаратов, фильтров, аккумуляторов, теплообменников, приборов и сопутствующих элементов. Излагаются основы проектирования и расчета гидросистем, их монтажа и эксплуатации, тенденции развития гидрооборудования мировых лидеров, а также основополагающие отечественные стандарты и стандарты ИСО; приведены характеристики минеральных масел, размеры специальных резьб, путеводитель по Интернету.

В 6-м издании (5-е изд. 2008 г.) существенно расширены сведения об импортной гидравлике, в том числе инновационных изделиях, отсутствующих в отечественной номенклатуре. По каждому из компонентов приведены полные технические данные аналогов, выпускаемых зарубежными фирмами, признанными на российском рынке, включая основные параметры, габаритные и присоединительные размеры, расшифровки кодовых обозначений и особенности эксплуатации. Подробно описаны современные насосы и гидродвигатели, аппаратура ввертного монтажа, аппараты связи с электронными системами управления, приборы и др. Особое внимание уделено проблеме энергосбережения. В справочнике отражен современный мировой уровень развития промышленных гидроприводов.

Для инженеров-конструкторов, специалистов в области гидроприводов и обслуживающего персонала гидрооборудования стационарных машин и станков, преподавателей и студентов втузов.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 312-57-68, тел./факсу: (812) 312-44-95, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.

Таблица и рисунки к статье И. П. Никифорова, В. В. Иванова, И. В. Барсук «Образование и износ оксидных пленок на шлифованных стальных поверхностях»

(см с. 10)

Таблица 1

Соответствие цветов толщине оксидных пленок

Номер цвета к Цвет на рисунках Цвет побежалости Толщина, мкм Номер цвета к Цвет на рисунках Цвет побежалости Толщина, мкм

1, а 1, б 1, б

1 Белый 0,040 5 Пурпурный 0,063

2 Соломенный 0,046 6 ^^^^^ Фиолетовый 0,068

3 Красно-желтый 0,052 7 Синий 0,072

4 ^^^ Красно-коричневый 0,058 8 ^^^^^ Черный 0,082

Рис. 1. Идентификация оксидных пленок: а — исходная микрофотография шлифованной поверхности; б — результат работы компьютерной программы