Изучение влияния включений селенидов марганца при механической обработке селеносодержащих сталей

Изучение влияния включений селенидов марганца при механической обработке селеносодержащих сталей

Стали, содержащие в своем составе в качестве улучшающей добавки селен, используются в промышленности уже несколько десятилетий [1]. Однако существующие представления о механизме, обуславливающем их легкую обрабатываемость, и роль селенидов в образовании стружки до сих пор весьма противоречивы. По мнению ряда ученых, увеличение стойкости инструмента является результатом уменьшения трения на контактных поверхностях инструмента за счет образования разделительной пленки, состоящей из селенидов марганца и железа [2]. Другие высказывают гипотезу, что в процессе резания неметаллические включения способствуют разрушению металлической матрицы в зоне сдвига [3].

Моделирование механической обработки, которое выполнили последние авторы, является довольно сложной задачей, поскольку в процессе обработки происходит рассеивание значительной по величине энергии в малой области пластического течения. Физические размеры этой области настолько малы, что могут быть сопоставимы: с размерами включений селенида марганца и железа, присутствующих в промышленных сталях. Применяемые глубины резания часто оказываются величинами того же порядка, что и размеры зерен материала. При резании в таких условиях можно ожидать проявление влияния кристаллической ориентации зерен, различий упругих свойств двух фаз, а также различий в пластической деформации и термических изменениях, происходящих под действием прикладываемых во время механической обработки напряжений и тепловых полей. Поэтому приведенные авторами выводы являются сомнительными и мало доказательными. Для выяснения роли селенидов марганца в процессе механической обработки необходимо было провести новое экспериментальное исследование хорошо известных в химическом и структурном отношении сталей, содержащих селениды марганца. Кроме того, необходимо было изучить физическую сущность явлений, происходящих при резании с микроскоростями и скоростями резания, применяемыми в производстве. В зтой статье изложены некоторые результаты, полученные при наблюдении процесса образования стружки у селенсодержащих сталей при низких скоростях резания.

Результаты сопоставлены с процессами, происходящими в зоне стружкообразования при применяемых в производстве скоростях резания. Цель исследования состояла в установлении истинного характера поведения включений селенида марганца при механической обработке в тех и других условиях. Исследовалась мартеновская сталь марки 20ХГНМ, имеющая следующий химический состав: С - 0.20%, Sі - 0,17%, Мn - 1,05%, Сг - 0,80%, Ni -0,59%, Sе - 0,18%. Она содержала статистически распределенные глобулярные включения селенида марганца и селенида железа, характеризующиеся типичной эллипсоидальной морфологией и довольно широкой областью размеров.

Для оценки влияния анизотропии прямоугольное резание проводили в двух направлениях относительно главной оси селенидов. Для проверки состава включений проводили рентгеновскую съемку с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ_100У) и твердотельного детектора. В дальнейших наблюдениях принимались во внимание только те включения, о которых достоверно известно, что они представляют собой селениды марганца. Остальные включения, также присутствующие в стали, исключались из рассмотрения. Эксперименты по резанию с весьма малыми скоростями резания (0,001 м/с) проводились на установке «Алатоо» с визуальным наблюдением процесса стружкообразования с помощью оптического микроскопа МИМ_7 с увеличением в 500 раз. Прямые наблюдения за поведением частичек включений показали, что, когда зона сдвига проходит через включение, эта частичка отделяется от матрицы, происходит ее хрупкое разрушение и частичный выброс. При механической обработке образца, в котором главная ось включений селенидов повернута на 90⁰, вблизи частицы наблюдается нарушение сцепления у поверхности раздела частицы и матрицы и образование полостей. Полость, образующаяся вокруг селенида, вытягивается под действием растягивающих напряжений, имеющих место в области, расположенной за режущей кромкой. Тот факт, что нарушение сцепления и образование полостей вблизи включений не вызвано релаксацией поверхностных напряжений, может быть подтверждено сравнением боковой и нижней поверхности стружки. На боковой поверхности стружки наблюдаются полости, уходящие глубоко в стружку. Хорошо видно разрушение и дробление включений селенидов во время механической обработки в продольном направлении. На обработанной поверхности также наблюдаются следы разрушения включений и полости, идущие от свободной поверхности и распространяющиеся внутрь от обработанной поверхности. В сталях, содержащих включения, резец должен войти в контакт с определенным числом включений. Используя методы количественной металлографии [2], можно подсчитать число таких контактов на единицу длины реза. Если нарушение сцепления, разрушение и образование полостей у включений селенидов вполне закономерно и при высоких скоростях резания, то механически обработанная поверхность должна содержать полуполости в местах встречи резца и включения. Качество обработанной поверхности в этом случае должно зависеть от механизма взаимодействия между включениями селенидов и режущим инструментом. Однако лабораторные исследования и практика обработки таких сталей в промышленности показывают совершенно иные результаты. Качество обработанной поверхности наоборот улучшается (меньше высота микронеровностей), расход механической энергии на формообразование существенно уменьшается и, что очень важно, стойкость инструмента значительно увеличивается. Структура сталей, особенно сталей, содержащих включения селенида марганца, отличается от структуры однофазных сплавов тем, что у них присутствуют включения селенидов размером от 5,0 до 50,0 мкм и пластинчатая структурная составляющаяперлит. Во время охлаждения после горячей прокатки феррит зарождается вокруг селенидов. Следовательно, структуру стали можно считать состоящей в основном из зерен феррита, содержащих включения селенидов. Ферритная матрица может содержать в себе и более твердые включения (стекла, оксиды). Проблема легкой обрабатываемости неразрывно связана с поведением этой структуры в зоне сдвига. В дисперсионно твердеющих материалах, содержащих дисперсионные недеформируемые частицы, пластическое течение на микроскопическом уровне не является гетерогенным. Помимо так называемого статистического накопления дислокаций, необходимого для поддержания стабильности однофазных материалов при недеформационном упрочнении, в случае пластической деформации сплавов, содержащих дисперсные выделения, образуется также сетка дислокаций, возникающих по геометрическим причинам. Дислокации последнего типа необходимы для обеспечения соответствия у поверхности раздела дисперсная частица матрица до нарушения сцепления частицы с матрицей. Средняя длина свободного пробега дислокаций в таких сплавах зависит от размера дисперсных частиц их формы и распределения. Именно эти характеристики, а не эквивалентная средняя длина свободного пробега дислокаций в матрице того же сплава, не содержащей дисперсных частиц, определяют упрочнение во время обработки и пластическое течение в твердых телах этого типа.

Типичные размеры включений в легкообрабатываемых сталях приблизительно на порядок больше выделений, которые приводят к эффективному дисперсному упрочнению. При типичных условиях резания деформация сдвига лежит в интервале от 2 до 5. Следовательно, нарушение сцепления на границе частица-матрица должно произойти до того, как включение пересечет плоскость сдвига. Вслед за нарушением сцепления вокруг включения происходит деформация матрицы, приводящая к образованию полости. Непосредственно перед и во время прохождения через полость сдвига потерявшие связь с матрицей частицы испытывают большие сжимающие напряжения. Хотя напряжения сдвига в плоскости сдвига могут и не быть достаточными для того, чтобы вызвать сдвиг во включении, они могут быть достаточно велики для того, чтобы вызвать хрупкое разрушение включений селенидов.

Нарушение сцепления и разрушение, вызванное включениями, уменьшают эффективную площадь плоскости сдвига и, следовательно, необходимую силу сдвига и мощность. Однако, поскольку объемная доля селенидов составляет всего лишь около 2%, снижение требуемой силы сдвига не должно превышать 5-6%. Если предположить, что площадь полости и разрушения составляют не более трех площадей поперечного сечения частицы, то связанное с этим уменьшение силы трения между стружкой и инструментом будет величиной того же порядка, т.е. небольшим. Ожидать увеличения стойкости инструмента в этих условиях нереально. Но все рассмотренные выше явления наблюдаются только при низких скоростях резания. В реальных условиях обработки, когда температура в зоне резания лежит в пределах 500-800⁰С, а величина удельной энергии, затрачиваемой на образование стружки лежит в пределах 140-400 кгс·м/см³, силы резания снижаются на 45-50%, а стойкость инструмента увеличивается в 30-40 раз. Таким образом, обрабатываемость исследованных сталей неразрывно связана с поведением включений селенидов под действием приложенных напряжений и температуры порядка нескольких сотен градусов Цельсия. Включения селенидов ведут себя как хрупкий материал только при комнатной температуре. Если же локальная температура в зоне резания превышает температуру хрупкопластического перехода для включений селенидов, температура размягчения которых находится в пределах 400-500⁰С, то в ходе механической обработки наблюдается следующее явление: под действием высокой температуры, селениды из хрупкого состояния переходят в пластическое и пластическая деформация включения будет на несколько порядков больше, чем ферритной матрицы. По этой причине вероятность нарушения сцепления и образование полостей на поверхности раздела включение - матрица уменьшается до нуля, и включения деформируются пластически, а не разрушаются хрупко, как при микроскоростях. Те включения, которые попадают на свободную поверхность, будут выдавливаться, образуя на контактной поверхности инструмента слой смазки. Этим они оказывают весьма заметное влияние на процессы трения на контактных площадках и, следовательно, на всю динамику процесса образования стружки. Если количество включений достаточно велико, то изменение динамики образования стружки приводит к уменьшению силы трения и величины деформации стружки. При этом угол сдвига увеличивается, а величина плоскости сдвига уменьшается. Уменьшается величина энергии, затрачиваемой на образование стружки. Вследствие образования на контактных поверхностях устойчивого смазочного слоя из размазанных по ней селенидов уменьшается интенсивность износа инструмента. Изучение продольного сечения стружки, образованной при высокой скорости резания, показало, что в реальных условиях резания наблюдается пластическое течение включений селенидов в отличие от хрупкого разрушения при резании с микроскоростями. Таким образом, установлен двоякий характер влияния включений на процесс резания. А именно: при резании на микроскоростях включения хрупко разрушаются и не оказывают существенного влияния на процесс образования стружки; при резании же со скоростями, применяемыми в производстве, включения размягчаются и намазываются на контактные поверхности инструмента, существенно изменяя динамику процесса резания и уменьшая интенсивность износа инструмента.

Список литературы

1. Сединкин Л.М., Розенберг Ю.А., Гольдштейн Я.Е., Заславский А.Я Обрабатываемость сталей, микролегированных селеном, свинцом и теллуром. «Станки и инструмент» 1966. - №9. - С 27-29.

2. Сединкин Л.М. Обоснование возможности образования разделительных пленок на контактных поверхностях при резании и трении // Вестник национального технического университета Украины (КПИ). Машиностроение. - 1999. - №35. - С 102-105.

3. Tipnis V.A., Cook N.H., Vtn. Sjc. Conf., Vol.44 1965, pp 285-308. Gordon & Breach Science Pub. 4, 1968.