К.т.н. Ардашев Д.В.

Южно-Уральский государственный университет, Россия

Физико-химическое взаимодействие абразивного

и обрабатываемого материала при шлифовании

При абразивной обработке в зоне контакта единичного абразивного зерна с обрабатываемым материалом протекает ряд разнородных процессов, некоторые из которых близки к микрометаллургическим – взаимная диффузия химических элементов обрабатываемого и абразивного материала, адгезия, приводящая к местному схватыванию отдельных площадок рабочей поверхности зерна с частицами шлифуемого материала, химическое взаимодействие, приводящее к интенсивному образованию третьих соединений. Эти предположение были высказаны и в дальнейшем исследованы различными учеными – Г.В. Бокучавой и Т.Н. Лоладзе [1, 2], Е. Н. Масловым [3], Н.И. Богомоловым, Ю.А. Казимирчиком, Г.И. Саютиным, И.В. Харченко и Б.К. Куликом [4], и др. и в настоящее время не вызывают сомнений. Так, Т.Н. Лоладзе и Г.В. Бокучава [1, 2] высказали предположение, что каждое абразивное зерно, участвующее в снятии единичной стружки своей режущей кромкой сначала производит только трение, а в последствии пластический сдвиг элементарного объема металла, что является резанием.

Исследование физико-химического взаимодействия выполнялось с применением электронного сканирующего микроскопа JSM 6460LV (JEOL, США), с использованием энергодисперсионной приставки. Кубики электрокорунда вводились в контакт с плоскими образцами из различных марок сталей, помещались в печь, нагревались до 1000°С, выдерживались и охлаждались на воздухе. В качестве исследуемых марок сталей были выбраны сталь 45, 40ХН, 38ХС, 12ХН3А. Затем на специальном станке изготавливались поперечные шлифы образцов, на которые в дальнейшем напылялось платиновое покрытие и шлифы исследовались под микроскопом. Результаты химического анализа шлифов (точечного и картирования) приведены на рис. 1.

Характерной особенностью для всех исследуемых образцов является наличие серой зоны – вещества, образовавшегося в результате взаимодействия абразивного и обрабатываемого материалов. Особенно эта зона выражена на образцах из стали 45 и 40ХН (см. рис. 1, а и б), на образцах из стали 38ХС и 112ХН3А (см. рис. 1, в и г соответственно) серая зона также присутствует, однако в первом случае она достаточно узка, а во втором представляет собой бесформенную неоднородную зону с яркими белыми прожилками железа и темными вкраплениями алюминия.

а) б)

в) г)

Рис. 1. Картирование и точечный химический анализ образцов:

а) сталь 45; б) сталь 40ХН; в) сталь 38ХС; г) сталь 12ХН3А

Численные характеристики точечного химического анализа приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты точечного химического анализа

Марка стали Элемент		№ точки
		1	2	3	4	5	6
		Концентрация элемента, %
45	Fe	81,97	81,76	77,64	34,89	1,03	0,54
	Al	0,49	0,57	2,59	32,71	55,23	55,73
	O2	17,54	17,67	19,77	32,40	43,74	43,73
40ХН	Fe	79,22	80,99	78,52	45,71	1,26	0,73
	Al	0,54	0,60	2,34	26,87	54,31	55,57
	O2	19,14	18,47	20,18	27,42	44,43	43,70
38ХС	Fe	81,63	81,06	79,89	32,47	1,64	0,68
	Al	0,47	0,67	1,16	35,16	54,51	55,72
	O2	17,90	18,27	18,95	32,37	43,85	43,61
12ХН3А	Fe	81,83	82,23	76,28	24,01	1,34	0,53
	Al	0,62	0,62	3,96	47,47	57,34	56,51
	O2	17,55	17,15	19,75	28,52	41,32	42,96

По мнению Т.Н. Лоладзе [1] в контакте «режущий материал-обрабатываемый материал» при высоких скоростях и температурах резания возможно протекание либо гетеродиффузии, результатом которого является твердый раствор с решеткой растворителя, либо реактивной диффузии, которая приводит к протеканию химической реакции и образованию соединения на границе контактирующих материалов. Данное утверждение положено в основу настоящего исследования: в процессе шлифования, при средних температурах (800–1200°С) в зоне контакта абразивного и обрабатываемого материалов интенсивно протекают диффузионные процессы, причем преимущественно заканчивающиеся химической реакцией – твердофазным синтезом соединения, состоящего из элементов обрабатываемого и абразивного материала. Количественное содержание последнего в образованной прослойке определяет интенсивность и степень износа абразива.

Характерными точками являются 1 и 6 (см. табл. 1): концентрация алюминия в стали 12ХН3А достигает 0,62 %, а железа 0,73 % в электрокорунде. Учитывая, что расстояние между точками 1 и 6 составляет 25 мкм интенсивность взаимодействия основных компонентов веществ – алюминия и железа – достаточно высока. Отличительной особенностью шлифования является кратковременность контакта отдельного абразивного зерна с обрабатываемы материалом – порядка 2×10^-3 с, однако именно этот факт в значительной степени повышает вероятность протекания диффузионных: наибольшая скорость взаимного растворения контактирующих веществ наблюдается при значительном сокращении времени их контакта. Это объясняется градиентом концентраций контактирующих веществ друг в друге: в электрокорунде отсутствует железо, а в рассматриваемых сталях нет алюминия.

Таким образом, в процессе шлифования в зоне контакта единичного абразивного зерна, несмотря на его кратковременность, интенсивно протекают физико-химические процессы, оказывающие превалирующее влияние на величину, характер и интенсивность износа абразивного инструмента. Выполненные экспериментальные исследования по химическому взаимодействию обрабатываемого и абразивного материала позволяют утверждать, что в контакте абразивного зерна с обрабатываемым материалом синтезируется третье вещество.

Литература:

1. Лоладзе, Т.Н. Износ режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе, – М., Машгиз, 1958. – 354 с.

2. Лоладзе, Т.Н. Износ алмазов и алмазных кругов / Т.Н. Лоладзе, Г.В. Бокучава, – М., Машиностроение, 1967. – 112 с.

3. Маслов, Е.Н. Теория шлифования материалов. – М.: Машиностроение, 1974. – 320 с.

4. Богомолов, Н.И. Влияние адгезионных свойств абразива на силы шлифования / Н.И. Богомолов, Ю.А. Казимирчик, Г.И. Саютин, И.В. Харченко, Б.К. Кулик // Труды ВНИИАШ, № 14, 1973. – С. 53–59.