Формирование тонких поверхностных структур при финишной абразивной обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.923

Формирование тонких поверхностных структур при финишной абразивной обработке

С.Г. Бишутин

Описаны механизмы формирования микро- и наноструктур поверхностных слоев деталей при финишной абразивной обработке. Определены основные параметры процесса обработки, влияющие на формирование тонких поверхностных структур.

Ключевые слова: финишная абразивная обработка; термическое воздействие; силовое воздействие; микроструктурирование; наноструктурирование; поверхностный слой.

Большинство эксплуатационных показателей деталей машин и механизмов (интенсивность изнашивания, предел выносливости, скорость коррозии и др.), определяющих их долговечность, в значительной степени зависят от организации тонких поверхностных структур. Эти микро- и наноструктуры формируются преимущественно на финишных этапах механической обработки заготовок деталей. Наиболее часто такими этапами являются различные виды абразивной обработки. В связи с этим исследования формирования тонких поверхностных структур при финишной абразивной обработке являются актуальными.

Процесс абразивной обработки является уникальным по многим причинам, одна из которых - это несбалансированные термическое и силовое воздействия на заготовку. Даже в пределах цикла обработки одной заготовки присутствует указанная несбалансированность: в начале шлифования (на этапе съема основной части припуска), как правило, доминирует термическое воздействие, по завершении процесса обработки (на этапе выхаживания) поверхностный слой формируется преимущественно в результате силового воздействия. В отдельных случаях путем выбора соответствующих условий и режимов обработки добиваются доминирования одного из указанных воздействий [1; 2]. Нестационарность состояния рабочей поверхности инструмента вследствие изнашивания также приводит к нарушению паритета между термическим и силовым воздействиями. Одно можно утверждать однозначно: при абразивной обработке поверхностные слои заготовки подвергаются горячей высокоскоростной деформации (время деформирования материала при шлифовании обычно составляет 10^-5…10^-6 с).

Высокоскоростная пластическая деформация изменяет характер распределения и увеличивает плотность р несовершенств кристаллической структуры обрабатываемого материала: дислокаций, дефектов упаковки, вакансий, мало- и высокоугловых границ. (Границы с углом разориентировки >10° имеют аморфную структуру, их принято называть высокоугловыми (большеугловыми) [3]. Границы с ц 6…8° состоят из дислокационных сеток и называются малоугловыми (рис.1).) Дефекты кристаллической структуры материала сильно влияют на формирование поверхностных слоев при структурно-фазовых превращениях, что можно использовать как фактор создания требуемых приповерхностных структур.

Рассмотрим наиболее характерные для процессов абразивной обработки механизмы формирования структур поверхностных слоев.

Первый механизм реализуется при температуре нагрева обрабатываемой поверхности, не превышающей температуру начала структурно-фазовых превращений материала заготовки, что наблюдается при шлифовании незакаленных сталей, хонинговании и суперфинишировании.

Рис. 1. Разориентация на угол двух зерен (а) и субзерен (б): 1 - зерно; 2 - субзерно; 3 - атом

В этом случае поверхностный слой условно можно разделить на три зоны (рис. 2). В зоне А наблюдается самая высокая интенсивность деформаций _i и скоростей деформирования обрабатываемого материала (как показывают расчеты, для отдельных сталей достигается _i 1,0, а = 10⁵…10⁶ с^-1). В этой зоне материал находится в диспергированном состоянии - в виде мелких блоков (субзерен) с высокоугловыми границами, имеющих характерную ориентацию вдоль вектора главного движения резания D_r. Очевидно, что структура материала в зоне А не способна к дальнейшей эволюции, а сам материал имеет максимальную степень упрочнения при плотности дислокаций 10^-15…10^-16 м^-2. Однако нельзя исключать того, что уровень температур в этой зоне при существующих скоростях деформирования будет способствовать восстановительным процессам, уменьшающим плотность несовершенств структуры материала.

В зоне Б интенсивность деформаций и скоростей деформаций много меньше (_i = 0,1…0,5; = 10⁴…10⁵ с^-1). В ней наблюдается блочная или фрагментарная (ячеистая) структура (в зависимости от типа кристаллической решетки обрабатываемого металла). Наиболее характерный размер блока составляет L_б = 0,3…1,5 мкм. Разориентация между соседними блоками не является хаотической и почти не зависит от степени деформации металла. При деформациях, характерных для данной зоны, блоки могут объединяться в группы (фрагменты).

Рис. 2. Схема поверхностных структур, формирующихся при доминировании силового воздействия абразивной обработки: 1 - граничный слой; 2 - деформированное зерно с развитой дислокационной (блочной) структурой; 3 - исходное зерно материала заготовки

Размер фрагмента L_ф = (3…10) L_б [3], т.е. фрагмент содержит от 30 до 1000 блоков. Фрагментарная разориентация более выражена, чем блочная, и растет с деформацией материала.

Зона В непосредственно контактирует с исходной структурой материала. Размер фрагментов в этой зоне наибольший (практически соизмерим с зернами основы). В зернах наблюдаются локальные дислокационные сгущения, не приводящие к значительной разориентации отдельных объемов кристаллов. Плотность дислокаций меняется от 10^-12…10^-13 м^-2 до исходных значений - 10^-10…10^-11 м^-2.

Описанный механизм формирования поверхностных структур реализуется при доминировании силового воздействия абразивной обработки. В этом случае поверхностные слои имеют наименьшую толщину h (до 20…25 мкм). Детали машин с такими поверхностными слоями отличаются повышенными эксплуатационными показателями.

Второй механизм формирования поверхностных структур наиболее характерен для процессов шлифования закаленных сталей. В этом случае приповерхностные слои разогреваются до температур Т_н, достаточных для начала структурно-фазовых превращений обрабатываемого материала в ходе его отпуска, динамического возврата и рекристаллизации. Характер структурных изменений при отпуске сталей зависит от температуры, продолжительности отпуска (времени t_Т нахождения поверхностных слоев при температурах Т_н) и содержания углерода в стали [4]. В связи с этим первые две зоны поверхностного слоя (рис.3) содержат продукты распада исходной структуры в ходе следующих процессов: сегрегации углерода (при Т_н> 100°С), выделения промежуточных карбидов (при Т_н> 150…200°С), образования цементита (при Т_н> 250°С), превращения остаточного аустенита в нижний бейнит (при Т_н> 250…300°С).

Динамический возврат и рекристаллизация происходят в широком интервале температур отпуска (активное начало этих процессов наблюдается при Т_н> 350°С). Развитие этих восстановительных процессов сдерживается частицами карбидных выделений, препятствующих движению дислокаций и закрепляющих высокоугловые границы.

Верхние приповерхностные слои, содержащие продукты распада, подвергаются пластической деформации и образуют зону А (рис. 3). Горячая деформация приводит к ориентированию (вдоль вектора D_r) и упрочнению продуктов распада, повышая плотность дислокаций в этой зоне на один-два порядка.

В зоне Б плотность дислокаций несколько ниже, чем в зоне А, из-за активного протекания восстановительных процессов и меньшей деформации металла этого слоя.

Рис. 3. Схема поверхностных структур, формирующихся при доминировании термического воздействия абразивной обработки: 1 - граничный слой; 2 - деформированное зерно продуктов распада исходной структуры 3 материала заготовки

В зоне В расположены структуры исходного материала с повышенной плотностью дислокаций. Повышению плотности дислокаций способствуют значительные напряжения, образующиеся в поверхностном слое в результате указанных превращений и неравномерного нагрева обрабатываемого материала.

Толщина поверхностного слоя при описанном механизме его формирования может достигать нескольких десятых миллиметра и более. Поверхностные слои, содержащие продукты распада исходной структуры материала, как правило, приводят к снижению эксплуатационных показателей деталей.

Третий механизм формирования поверхностных слоев наблюдается при шлифовании закаленных сталей на форсированных режимах. В данной ситуации температура нагрева Т_н, скорости нагрева V_н и охлаждения V_о приповерхностных слоев способствуют вторичной закалке материала заготовки. Обычно вторичная закалка происходит, если Т_н> 750°С, а величины V_н и V_о достигают более 1000°С/с. Поверхностный слой при этом состоит из трех характерных зон: зоны вторичной закалки (продукты распада исходной структуры повторно закаливаются), зоны отпуска (содержит продукты распада исходной структуры), зоны исходной структуры материала с повышенной плотностью дислокаций. Толщина первой зоны обычно составляет несколько сотых или десятых миллиметра, толщина второй зоны - до миллиметра. Формирование таких слоев сопровождается возникновением значительных остаточных напряжений I рода, нередко приводящих к образованию макротрещин на поверхности заготовки.

Такой механизм формирования поверхностных структур реализуется при выборе нерациональных режимов обработки, значительном износе и засаливании абразивного инструмента или при целенаправленном структурировании поверхностных слоев (например, для формирования «белых» (при травлении представляют собой светлые участки), особо износостойких слоев) [2].

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

- к управляемым факторам формирования тонких поверхностных структур следует отнести температуру Т_н нагрева поверхностного слоя, время t_Т нахождения поверхностных слоев при температурах Т_н, скорости нагрева V_н и охлаждения V_о поверхностных слоев, интенсивность деформаций _i и скоростей деформаций обрабатываемого материала;

- величины Т_н, t_Т, V_н, V_о характеризуют температурное воздействие абразивной обработки, параметры _i и - силовое воздействие;

- при шлифовании в качестве температуры нагрева приповерхностного слоя следует рассматривать контактную температуру, поскольку время действия мгновенных температур крайне мало (<10^-6 с), а уровень общих температур не превышает 100…120°С.

Проведенные исследования позволят целенаправленно формировать при абразивной обработке поверхностные слои деталей с повышенными эксплуатационными показателями.

абразивный обработка наноструктура

Список литературы

1. Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей при шлифовании / С.Г. Бишутин. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 144 с.

2. Аксенов, В.А. Теория и технология комбинированной (шлифование с управляемым термическим воздействием) обработки деталей машин с повышенными эксплуатационными характеристиками: автореф. дис. … д-ра техн. наук/ В.А. Аксенов. - Челябинск: ЧГТУ, 1995. - 34с.

3. Владимиров, В.И. Физическая природа разрушения металлов/ В.И. Владимиров. - М.: Металлургия, 1984. - 280с.

4. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов: учеб. для вузов/ И.И. Новиков. - М.: Металлургия, 1986. - 480с.

Размещено на Allbest.ru