CC BY
10
УДК 621.9
ВЛИЯНИЕ МИКРОДОЗ ЙОДА КАК КОМПОНЕНТА СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
А. Г. НАУМОВ1,2, В. А. КОМЕЛЬКОВ1, Д. В. ЕМЧЕНКО1, О. А. НАУМОВА2, Е. В. ЗАРУБИНА1
1
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново 2ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет» Российская Федерация, г. Иваново E-mail agn8@yandex.ru
В работе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению триболо-гических свойств йода, используемого в качестве микродобавки в смазочно-охлаждающих технологических средствах (СОТС), на различных операциях механической обработки металлов и сплавов. Предложен механизм образования разделительных смазочных пленок в результате инициирования химических реакций между радикалами йода и обрабатываемым материалом. Установлено, что использование йода в качестве компонента СОТС оказывает эффективное влияние на характеристики процесса резания и стойкостные показатели режущих инструментов.
Ключевые слова: трибология; резание металлов; смазочно-охлаждающие технологические средства; поверхностные явления; радикально-цепные реакции.
THE INFLUENCE OF MICRO-DOSES OF IODINE, AS A COMPONENT OF SOTS WHEN PROCESSING METALS BY CUTTING
A. G. NAUMOV1,2, V. A. KOMELKOV1, D. V. EMCHENKO1, O. A. NAUMOVA2, E. V. ZARUBINA1
1
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo Federal State Educational Institution of Higher Education « Ivanovo State University» Russian Federation, Ivanovo E-mail agn8@yandex.ru
The article states the results of the experimental researches on the tribological properties of iodine used as cutting fluid microadditives during various machining with cutting of metals and alloys. There is provided a mechanism of formation of separating lubricating films caused by the chemical reactions between the iodine radicals and the work material. The study shows that iodine as a cutting fluid component acts effectively on the cutting process characteristics and the cutting tool wear-resisting properties.
Key words: tribology; metal cutting; cutting fluid; surface phenomena; chain-radical reactions.
Йод и его соединения, как компоненты смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) для механической обработки металлов, давно привлекли внимание исследователей своими особыми свойствами изменять условия трения и изнашивания металлических поверхностей при их контактных взаимодействиях. Применение йодсодержащих компонентов в СОТС хорошо зарекомендовало себя при резании и трении труднообрабатыва-
емых и химически инертных материалов. Еще в 50-х годах французские инженеры Робертс и Ф'юри [1] обнаружили аномальное повышение стойкости резцов при обработке титановых сплавов и нержавеющей стали. Ф'юри было так же установлено, что действие йода эффективно и при трении. Так, было зафиксировано, что введение микродоз присадок йода (0,01-0,001 %) в состав смазки в несколько раз уменьшает коэффициент трения (табл. 1)
© Наумов А. Г., Комельков В. А., Емчен-ко Д. В., Наумова О. А., Зарубина Е. В., 2020
Таблица 1. Значения коэффициента трения и износа образцов при введении в состав смазки микродоз йода
Материал пары трения Коэффициент трения Износ, мм
Нефтяное масло Нефтяное масло + 0,075 % 12 Нефтяное масло Нефтяное масло + 0,075 % 12
Сталь-сталь 0,088 0,088 - -
Алюминий-алюминий 0,094 0,041 0,36 0,48
Золото-золото 0,070 0,010 0,60 0,60
Стекло-стекло 0,125 0,046 2,05 0,0
Дальнейшие работы [2, 3] подтвердили, что наибольшая эффективность от использования йода зафиксирована при обработке лезвийным и абразивным инструментом титана и его сплавов. Небольшие присадки йода к СОТС, в количестве 0,01-0,0075%, уменьшают интерметаллический контакт и снижают трение между трибосопряженными рабочими поверхностями инструмента и обрабатываемым материалом. При этом, стойкость инструментов может быть значительно увеличена.
Причины высокой эффективности йод-содержащих технологических средств точно не установлены. Предполагается, что в этом случае имеют место адсорбционная и химическая активность йода по отношению к металлам, его способность образовывать комплексные соединения, также не исключается возможность особой роли электрических и магнитных явлений.
Так, Робертс и Оуэнс [4], предположили, что при взаимодействии йода с компонентами смазки в контактной зоне образуются новые соединения, оказывающие влияние на электрические явления при трибосопряжениях металлических поверхностей - комплексы с переносом заряда (КПЗ)
По нашему мнению [5] в основе высокого смазочного действия йодсодержащих СОТС лежит механизм разрушения нейтральных молекул йода на радикалы в результате различного вида энергетических воздействий на последние. При этом, образование радикалов может проходить по схемам:
12 + e ^
т*
h + e
u
V + I2 ^ VII
(1)
(2)
где е - электрон, эмитируемый свежевскрытой металлической поверхностью; 12 - возбужденная молекула йода; /„ - радикал йода;
V - свободная валентность на ювенильной поверхности; VII - химический радикал.
Образованные радикалы йода участвуют в поверхностных химических реакциях, а также могут выступать в роли инициаторов зарождения цепных реакций, в результате чего в контактной зоне происходит образование вторичных структур - различных соединений йода с металлами контактирующих поверхностей.
Рассмотрим некоторые аспекты действия йодсодержащих СОТС при обработке металлов. Йод имеет атомный вес 126,9, для разрушения молекулы йода на атомы и радикалы требуется 35 ккал/моль. Йод малоактивен при низких температурах, при повышении температур распадается на активные радикалы, химически взаимодействующие с металлами с образованием соответствующих йодидов [3]. При рассмотрении механизма действия йода при трении Ф. П. Боуден отмечал, что «...чистый титан имеет коэффициент трения, равный 1,2, а выдержка в парах йода при комнатной температуре приводят к немедленной реакции с образованием черной пленки ти2». Эти химические пленки, образованные в результате реакции паров йода с титаном, имеют в 4 раза более низкий коэффициент трения, чем чистые поверхности титана. Нашими исследованиями [6] установлено, что при резании в присутствии йодсодержащих СОТС в результате химических реакций в контактной зоне образуются пленки соединения Ре12, которые, имея низкий коэффициент трения, способствуют значительному улучшению трибомеханического состояния контактной зоны.
Известно [7], что трибология процесса резания в значительной степени обусловлена интенсивными фрикционными
взаимодействиями обрабатываемого
материала по передней и задним поверхностям режущих инструментов. Это, в первую очередь, оказывает влияние на стабильность стружкоотделения и силы резания. Эффективная СОТС, компоненты которой в результате физико-химических превращений способствуют образованию
разделительных слоев между
трибосопряженными поверхностями
инструмента и обрабатываемого материала, значительно уменьшает интенсивность адгезионных взаимодействий в контактной зоне, т.е. непосредственным образом оказывает влияние на силы резания (рис. 1 ) и процессы стружкообразования (табл. 2).
Температура резания, так же как и силы, является важным показателем эффективности применяемой СОТС. Тепло,
выделяющееся в контактной зоне, напрямую связано с работой резания. Чем интенсивнее идет образование разделительных смазочных слоев между трибосопряженными
поверхностями инструментального и обрабатываемого материалов, тем в меньшей степени активизируются адгезионные взаимодействия между ними, т.е. уменьшается трение, а, следовательно, снижается выделяемое количество теплоты.
Рис. 1. Диаграмма крутящих моментов при нарезании резьбы М14х1,5 в ст.3 метчиками из стали Р18 при использовании различных СОТС
Таблица 2. Результаты расчета касательного напряжения на условной плоскости
сдвига после точения в среде СОТС
№ Металл Касательные напряжения, кг/мм2
п/п Внешняя среда
без охлаждения водный р-р KI триэтаноламин
1 Алюминий 89,0 64,0 66,0
2 Медь 17,0 11,4 -
3 Сплав ВТ-5 89,0 87,0 84,0
4 Ст.3 63,0 58,0 63,0
5 Сталь 1Х18Н10Т 93,2 67,0 65,0
Изучение теплового состояния контактной зоны проводилось с использованием метода полуискусственной термопары при точении титанового сплава ВТ-5. В ходе исследований было установлено, что наличие в составе используемой СОТС йода приводит к значительному снижению температур резания по сравнению с такими эффективными технологическими средами как нитрит натрия, четыреххлористый углерод и др. (рис. 2). Изучение эффективности действия паров йода на температуру резания в
сравнении с широко используемыми в качестве компонентов СОТС парами хлора и фосфора, проведенное при строгании стали 45 и алюминия в вакуумной камере, так же показало превосходство йода.
Стойкость инструмента, т.е. период его работоспособного состояния, представляет собой интегральный показатель отдельных характеристик процесса резания.
Значительное влияние на стойкость инструментов оказывют и применяемые СОТС, которые предназначены для
целенаправленого создания условий, облегчающих процессы термомеханических воздействий на режущий клин инструмента, сход стружки, уменьшающих взаимодействия между задними поверхностями инструмента и обрабатываемым материалом.
В настоящей работе изучалась эффективность СОТС с присадками йода и паров йода на стойкостные показатели инструментов при резании различных материалов. Было установлено, что присутствие йода в контактной зоне оказывает положительное влияние на уменьшение износа (рис. 3, 4) и повышение стойкости режущих инструментов во всем диапазоне исследованных скоростей. Особенно этот эффект проявляется при резании сплавов на основе титана.
Йодсодержащие СОТС исследовались так же при ленточном шлифовании деталей из нержавеющей стали 1Х18Н10Т. В качестве
технологических средств применялся ПАВ Сульфореценат «Е» с присадкой йодистого калия. Данные испытаний представлены в табл. 3. Представленные данные показывают, что СОТС с присадкой йода дает максимальный эффект по съему металла (354,3 г против 160 г в первом случае), а также повышает качество поверхности - зафиксировано снижение шероховатости поверхности по сравнению содовым раствором более чем в 2 раза.
Ранее отмечалось, что повышенная активность йода проявляется с повышением температур. При этом, как установлено настоящими исследованиями, действие йода носит избирательный характер. На рис 5 представлены результаты термографических исследований, проведенных с целью изучения взаимодействия йода с различными металлами в процессе их нагрева.
Рис. 2. Зависимость температуры от скорости резания при точении сплава ВТ-5 резцами из стали Р18
Рис. 3. Диаграмма износа резцов из стали Р18 при строгании сплава ВТ-5 и стали 45
в различных газовых средах
Н Н
0,40
л 0,35
В
| 0,30
& 0,25 в
0,20 | 0,15
!0,10 I 0,05
iS
О Sej СОТС NaNo2 х-Н20 • -НгО +12
ки
1 И
г \ ( 4 j
Время резалня Т, мнн
Рис. 4. Динамика износа задней поверхности резца ВК8 при точении молибдена V = 1 м/с, S = 0,1 мм/об, t = 1,5 мм
Таблица 3. Эффективность применения йодсодержащей СОТС при ленточном шлифовании
№ п/п СОТС Показатели
Вес снятого металла Минутная производительность за 12 минут работы Шероховатость поверхности после 12 минут работы
1 Водный раствор соды (3%) 160,0 4,4 0,95
2 Сульфореценат «Е» 250,0 7,0 0,56
3 Сульфореценат «Е» + К1 + сода 354,3 7,5 0,4
Рис. 5. Взаимодействие кристаллического йода с различными металлами при совместном нагреве
Анализ термограмм, приведенных на рис. 5, показал, что интенсивность экзотермических превращений (величина пика) у всех исследованных материалов различна. Максимальная величина пиков наблюдалась у титанового и алюминиевого сплавов, минимальная - у нержавеющей стали. Подобное явление, на наш взгляд, обусловлено «сродством» материала образца к взаимодействию с йодом, т.е. чем интенсивнее идут реакции образования йодидов, тем большую величину имеет экзотермический пик и тем большая часть йода переходит в связанное состояние и, соответственно, меньшая его часть выходит в окружающую атмосферу, что и наблюдалось на представленных термограммах при сравнении линий ДТА и ДТG. Кристаллический йод при нагревании имеет два температурных превращения (при температурах 150°С и 210°С), характеризующихся эндотермическими эффектами. Настоящими исследованиями установлено, что основные взаимодействия йода с металлами (табл. 4) происходят при температурах 80-210°С, т.е. до температур, характери-
зующих начало превращений в решетке йода. Следовательно, наличие металла способствует снижению температур фазовых превращений йода, что подтверждается данными работы [8]. С другой стороны, не исключена вероятность, что йод при повышенных температурах, вступая во взаимодействие с компонентами воздуха (органического и неорганического происхождения), может образовывать комплексы с переносом заряда. Эти комплексы, имея иные физико-химические характеристики, образуют с металлами соединения, которые в дальнейшем претерпевают термодеструкцию при других температурах.
Таким образом, проведенные исследования показали, что йод при температурах 80-210°С активно взаимодействует с обрабатываемыми материалами. Результатом таких взаимодействий является образование различных йодидов, которые, имея невысокую температуру плавления, способны генерировать в зоне резания протекание химических реакций.
Таблица 4. Значения температур образования и распада йодидов, полученные при термографических исследованиях
Марка материала Температура образования йодида, 0С Температура распада йодида, 0С
ВТ1-0 110-120 260-360
АМг-2 110-130 400-410
У10А 140-160 320-350
12Х18Н10Т 100-110 350-360
На основании проведенных исследований установлено, что наличие микродоз йода в зоне трибосопряжений при трении и резании металлов оказывает положительное действие на процессы, протекающих на поверхностях границы раздела инструмент - обрабатываемый материал. Вместе с тем, существующие
теории механизма действия йода одинаково определяют лишь то, что облегчение процесса резания происходит в результате образования в зоне контактирования йодсодержащих разделительных пленок. Каков же механизм образования этих пленок авторами трактуется неоднозначно.
Список литературы
1. Фьюри М. Дж. Действие йода при получении особо низкой величины трения. Wear. 1966. Т. 9. № 5.
2. Латышев В. Н. Повышение эффективности СОЖ. М.: Машиностроение, 1985. 64 с.
3. Наумов А. Г. Повышение эффективности лезвийной обработки быстрорежущим инструментом при использовании экологически чистых СОТС: дис. ... д-ра техн. наук. М.: МГТУ «Станкин», 1999. 378 с.
4. Латышев В. Н. Исследование ме-ханохимических процессов и эффективности применения смазочных сред при трении и обработке металлов: дис. ... д-ра техн. наук. М., 1973. 412 с.
5. Развитие теории радикально-цепного механизма действия СОТС при резании металлов / А. Г. Наумов [и др.] // Металлообработка. 2016. № 4 (94). С. 26-33
6. Наумов А. Г., Латышев В. Н., Рад-нюк В. С. Трибологические свойства соединений йода, предварительно сформированных в поверхности быстрорежущих инструментов // Трение и износ. 2007. Т. 28. № 5. С.441-448
7. Наумов А. Г. Трибология лезвийного резания в присутствии смазочно-охлаждающих технологических средств // Трибология. Состояние и перспективы: сб. науч. трудов. Уфа. РИК УГАТУ, 2017. Т.1. С.179-185
8. Вайнштейн В. Э., Трояновская Г. И. Сухие смазки и самосмазывающиеся материалы. М.: Машиностроение, 1968. 180 с.
References
1. F'juri M. D. Dejistvie ioda pri poly-chenii osobo nizkoji velichiny trenija [The action of iodine in obtaining a particularly low amount of friction]. Wear, 1966, vol. 9, issue 5.
2. Latyshev V. N. Povyshrnie affek-tivnosty SOZ [Improving the efficiency of the coolant]. Moscow: Mashinostroenie, 1985. 64 p.
3. Naumov A. G. Povyshrnie affek-tivnosty lezvijinoji obrabotky bystrorezyshim in-strumentom pri ispoljzovanii akologicheski chistyh COTC [Improving the efficiency of blade processing with high-speed tools when using environmentally friendly cutting fluends[. dis. ... Dr. tech. of sciences. M.: MSTU «Stankin». 1999. 378 p.
4. Latyshev V. N. Issledovanie meha-nohimicheskih processov I affektivnosti prn-menenija smazochnyh sred pri trenii I obrabotke metajjov [The study of mechanochemical processes and the effectiveness of lubricating fluids with friction and metal processing]. dis. ... Dr. tech. of sciences. M., 1973. 412 p.
5. Razvitie teorii radikalno-cepnogo mehanizma dejistvija COTC pri rezanii metallov [Development of the theory of the radical chain mechanism of action of STS in metal cutting] / A. G. Naumov [et al.]. Metalloobrabotka, 2016, vol. 4(94), pp. 26-33.
6. Naumov A. G., Latyshev V. N., Radnuyk V. S. Tribologicheskie cvojistva soedi-neniy ioda predvaritelno sformirovannyh v poverhnosti bystrorejushih instrumentov [Tribo-logical properties of iodine compounds preformed in the surface of high-speed tools]. Treniye i iznos, 2007, vol. 28, issue 5, pp. 441449.
7. Naumov A. G. Tribologija lezvijnogo rezanija v prisutstvii smazochno-ohlazdaushih tehnologicheskih sredstv [Tribology of blade cutting in the presence of lubricating and cooling technological means]. Tribologiya. Sostoyaniye i perspektivy: sb. nauch. trudov. Ufa. RIK UGA-TU, 2017, vol. 1, pp. 179-185.
8. Vayinshteyn V. A., Troyano-vskaya G. I. Suhie smazki I samoamazyvay-shiesja materialy [Dry lubricants and self-lubricating materials]. Moscow: Mashinostroenie, 1968. 180 p.
Наумов Александр Геннадьевич
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет» Российская Федерация, г. Иваново
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново доктор технических наук, профессор E-mail agn8@yandex.ru
Naumov Aleksandr Gennadyevich
Federal State Educational Institution of Higher Education « Ivanovo State University» Russian Federation, Ivanovo
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo doctor of technical Sciences, Professor E-mail agn8@yandex.ru
Комельков Вячеслав Алексеевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
начальник кафедры пожарной безопасности объектов защиты кандидат технических наук, доцент Komelkov Vyacheslav Alekseevich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
head of the Department of fire safety of objects of protection candidate of technical Sciences, associate Professor
Емченко Дмитрий Валерьевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет»
магистр
Emchenko DmitryValeryevich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo master
Наумова Ольга Александровна
ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет» ФГБОУ ВО «Ивановский государственный университет» ведущий инженер
Naumova Olga Aleksandrovna
Federal State Educational Institution of Higher Education « Ivanovo State University» Russian Federation, Ivanovo principal engineer
Зарубина Екатерина Витальевна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, старший преподаватель
Zarubina Ekaterina Vitalyevna
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo candidate of technical Sciences, senior lecturer
