О.І. Сошко, В.О. Сошко

Херсонський національний технічний університет

СТАН ПОВЕРХНІ СТАЛІ ПІСЛЯ МЕХАНОХІМІЧНОЇ ОБРОБКИ

Відомо, що для звичайної механічної обробки сталі різанням у присутності фізично активних середовищ експлуатаційні параметри деталі багато в чому залежать від стану її поверхні. Так, якщо поверхню заліза піддати спочатку механічній поліровці, а потім електрополіруванню, то характерна для шару Бейльбі структура, зміниться картиною, характерною для кристалічного металу або його оксиду, що у свою чергу викличе зміну фізико-механічних властивостей матеріалу, а значить і експлуатаційну довговічність деталі [1].

Багато в чому визначальна роль поверхні в процесах впливу середовища на енергосилові параметри деформації і руйнування металу при різанні пов'язана з тим, що поверхня утруднює переміщення (зародження і розмноження) дислокацій, і цей вплив, завдяки дальнодії пружних полів дислокацій, поширюється на весь приповерхневий шар на глибину по крайній мірі порядку середніх розмірів дислокаційних сегментів або навіть помітно більшу. Цією обставиною і визначається те, якою мірою пластичність виявляється “поверхневою” властивістю: саме в такій мірі, в якій приповерхневий шар вказаної глубини визначає істотну частку загального опору шару металу, що знімається, докладеним зусиллям в процесі різання.

Досягнуті останнім часом успіхи в суміжних галузях науки спричинили більш глибоке розуміння процесу руйнування твердого тіла при впливі на нього різних рідких і газових середовищ, що дозволило запропонувати, розробити і впровадити деякі склади полімервмісних змащувально-охолоджувальних технологічних середовищ ЗОТС нового покоління [5].

У зв'язку з цим, можна допустити, що в зоні різання, поблизу ріжучої кромки, в умовах високих температур, зсувних навантажень і наявності екзоелектронної емісії, полімерні добавки до полімервмісних ЗОТС, наприклад поліетилен (ПЕ), або полівінілхлорид (ПВХ) можуть деструктувати до стану хімічної плазми з істотним переважанням активних форм водню і вуглецю.

Методом ОЖЕ – спектроскопії досліджувалася поверхня металу після точіння в полімервмісних ЗОТС. Режим обробки: різець ВК–6: v=8,3 c^-1, t=0,8 mm, s=0,1 mm/об. Перед ОЖЕ – спектроскопією зразки піддали ультразвуковому очищенню протягом 7 хв і подальшій витримці в інертній атомсфере при 125 °С протягом 30 хв.

Аналіз результатів, отриманих в результаті дослідження поверхні металів (Ст 45, Fe, Ti, Co, Ni, Мо) після їх обробки в полімервмісних ЗОТС показав (рис. 1), що поверхня всіх досліджених металів практично повністю покрита атомами вуглецю, концентрація якого поступово зменьшується по мірі віддалення від поверхні. В той же час, результати спектрального аналізу поверхні сталі після різання в ЗОТС з добавкою полімеру свідчать про те, що на ній окрім вуглецю, міститься велика концентрація водню [1]. Отже, на активній поверхні оброблюваного металу, що оновлюється каталітично, в результаті контакту органічних сполук, що входять до складу газової суміші, відбувається хімічна реакція з утворенням водню і вуглецю.

Отже, при механохімічній обробці металу в зоні різання (поблизу ріжучої кромки інструменту) під впливом високої температури і зсувних навантажень відбувається деструкція макроланцюга полімеру, який входить до складу ЗОТС з утворенням газової суміші з елементів, що містяться в макроланцюзі полімеру.

Безперервне утворення нової, ювенільної поверхні в процесі різання, що має високу каталітичну здатність, приводить до безперервного каталізу на цій поверхні хімічних елементів з газової фази з утворенням хімічної плазми, яка містить в активній формі атоми, що входять до складу полімерної присадки в ЗОТС.

Рис.1. Розподіл хімічних елементів в поверхневому шарі сталі 45 твердістю HRC 45 після точіння в полімервмісній ЗОТС на основі ПЕ: 1 – залізо; 2 – вуглець; 3 – кисень.

Процес утворення плазми може прискорюватися в результаті зіткнення хімічних елементів з електронами, емісія яких відбувається в результаті руйнування металу.

Водень, що виникає на останній стадії фізико-хімічних процесів, як відомо [2, 3, 4], найсильніше із всіх хімічних елементів полегшує процеси деформації і руйнування, а це і забезпечує надзвичайно високу ефективність ЗОТС на полімерній основі.

Різне полягання водню в металі змінює характер його адсорбції і тому може приводити до різного впливу на процеси деформації і руйнування металу. Наприклад, адсорбція водню у вигляді Н₂ не робить значного впливу на характеристики міцності і оброблюваність металу [3], тоді як найбільший вплив викликають іони Н^-. Водень у вигляді Н⁺ хоча і змінює міцнісні властивості у меншій мірі, чим Н^-, проте при іонізації водню негативних іонів утворюється значно менше, ніж позитивних. Так, наприклад, при потенціалі іонізації 180 еВ на кожен позитивний іон водню виникає всього 0,1х10^-4 негативних. Тому сумарний ефект від впливу Н⁺ виходить значно більшим, ніж від Н^- [3].

Таким чином, у зв'язку із значною відмінністю фізичних, хімічних і механічних властивостей каталітично активної поверхні оброблюваного матеріалу і ріжучого інструменту, а також хімічного складу ЗОТС і утворення водню відбуватється з різною інтенсивністю, а значить і ефективністю ЗОТС.

Що стосується вуглецю, який накопичується в процесі механічної обробки на поверхні ріжучого інструменту, то він, з одного боку, грає роль мастила, розділяючи поверхні, що труться, а з іншою, дифундує в ріжучі кромки інструменту, підвищує їх зносостійкість за рахунок утворення твердих карбідних фаз [5].

Необхідно відзначити, що всі вищевикладені уявлення про процеси і явища в поверхневому шарі матеріалу при його деформації і руйнуванні в активних середовищах, спостерігаються у тому випадку, якщо дефекти матеріалу мають вихід на зовнішню поверхню тіла, що деформується, а в кінетичному процесі розвитку нової поверхні мікротріщини вона встигає покритися адсорбційним шаром поверхнево-активних молекул. Лише в цьому випадку розвиток деформації і руйнування відбуватиметься при меншому напруженні.

Література

1. Сошко А.И. Механохимическая обработка металлов. Полимеры в технологических процессах обработки металлов.- К.: 1977 – 16 с.

2. Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И. Влияние водорода на свойства стали. 1962 . Металлургиздат. -217с.

3. Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. М. Металлургия, 1967. 227с.

4. Василенко И.И., Хатаришвили М.Г., Федченко В.С., Карпенко Г.В. Влияние газообразного водорода на прочность стали// ФХММ, К.: Наук думка, 1969, 5, №2, -167с.

5. Сошко А.И., Сошко В.А. Смазочно-охлаждающие средства в механической обработке металлов. – Херсон: Изд. Олди-плюс, 2008, ч.2 – 388 c.