Обоснование выбора химического состава износостойких покрытий режущего инструмента на основе учета энергетических параметров контактных взаимодействий

Одной из основных задач инструментального производства является обеспечение показателей качества металлорежущего инструмента, определяющих его работоспособность. Одним из основных показателей работоспособности для режущего инструмента служит износостойкость его рабочих поверхностей. Основными факторами, вызывающими износ твердосплавного инструмента, являются адгезионное схватывание, диффузия и окисление. Все эти процессы протекают на микроуровне, сопровождаются изменением химического состава поверхности инструмента, перераспределением электронной структуры, образованием на рабочей поверхности инструмента химических соединений, значительно отличающихся по своим свойствам от инструментального материала.

Для повышения износостойкости лезвийного инструмента применяются специальные износостойкие покрытия. Структура и химический состав покрытия влияют на тепловые и механические свойства режущей части, кроме того, прочность адгезионного взаимодействия инструментальной основы с покрытием непосредственно зависит от химического состава контактирующих материалов. Силы трения в контакте, оказывающие значительное влияние на износ инструмента, во многом определяются прочностью адгезионной связи между поверхностью инструмента и обрабатываемым материалом.

Работы по исследованию зависимости работоспособности лезвийного инструмента от химического состава поверхностей, контактирующих в процессе резания, в основном носят экспериментальный характер. Недостатками экспериментальных исследований являются высокая трудоемкость и значительные материальные затраты на приобретение материалов. Для повышения эффективности экспериментальной работы необходимо иметь теоретические оценки, сужающие область поиска и определяющие наиболее успешные направления подбора инструментального материала или варьирования химического состава износостойкого покрытия в зависимости от вида обрабатываемого материала и условий обработки.

Для исследования свойств материалов имеется достаточно мощный и гибкий аппарат, разработанный в области квантовой химии твердого тела. Применение его для решения специфических задач химии и физики резания металлов может принести значительный эффект.

Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод, что в настоящее время задача разработки предварительной теоретической оценки металлорежущего инструмента с износостойкими покрытиями с целью подбора оптимального химического состава поверхности инструмента на основе применения методов квантовой химии твердого тела является актуальной. Работа выполнена в рамках НИР «Исследования физики контактных явлений и износа в условиях высоких температур, удельных давлений и скоростей относительного перемещения» § 53 тематического плана единого заказ-наряда Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области машиностроения.

Работа посвящена разработке метода обоснования химического состава контактных поверхностей режущих инструментов и покрытий на основе методов, применяемых в квантовой химии твердого тела для расчетов свойств материалов.

Работа выполнена на основе теории резания с привлечением методов квантовой химии, включающих в себя теорию химического строения, квантовую механику, теорию матриц, теорию линейных операторов, теорию симметрии, теории вероятностей.

В работе предложен сравнительный принцип оценки основных факторов, влияющих на износ металлорежущего инструмента основанный на сравнении энергетических состояний малых приповерхностных слоев инструментального и обрабатываемого материалов.

На основе предложенного принципа разработаны методы расчетной оценки:

— энергии адгезионной связи покрытия с материалом инструментальной основы;

— энергии схватывания материала покрытия с обрабатываемым материалом и оценки уровня тепловыделений, обусловленных процессом трения;

— энергетического барьера для диффузионных процессов, происходящих по вакансионному механизму;

— запаса пластичности инструментальных материалов и покрытий по величине энергии связи материала;

— разработана методика комплексной оценки работоспособности металлорежущего инструмента при применении его для заданного обрабатываемого материала.

Для практического использования результатов работы разработана методика расчета, реализованная в виде программы на ЭВМ для расчетной оценки энергетических состояний малых приповерхностных слоев инструментального и обрабатываемого материалов с учетом влияния контактных температур. Данная разработка позволяет:

— предварительно определять наиболее перспективные направления в варьировании химического состава поверхности инструмента для заданных условий обработки;

— сократить объем экспериментальных работ;

— произвести корректировку интерпретации результатов эксперимента: подвергнуть сомнению, либо подтвердить истинность статистических выводов, полученных на основе обработки результатов испытаний.

Результаты исследований внедрены на НПО «Сатурн».

Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 2000) — Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002) — Международной научно-технической Интернет — конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» — «Технология — 2002» (Орел, 2002) — XXVIII международном научно-техническом совещании по проблемам прочности двигателей (Москва, 2002) — Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (Рыбинск, 2002).

Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 4 статьях и 7 тезисах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Научная новизна и практическая ценность работы определены следующими положениями.

1. Предложен принцип оценки основных факторов, влияющих на износ металлорежущего инструмента (по различию энергетических состояний).

2. На основе энергетического принципа разработана программа, позволяющая производить расчеты:

— энергии адгезионной связи покрытия с инструментальной основой;

— энергии схватывания материала покрытия с обрабатываемым материалом и оценки уровня тепловыделений, обусловленных процессом трения;

— энергетического барьера для диффузионных процессов.

3. Предложен способ сравнения запаса пластичности материалов покрытий по энергии связи кристалла.

4. Предложена комплексная сравнительная оценка износостойкости металлорежущего инструмента с износостойкими покрытиями, которая может применяться в качестве априорной оценки работоспособности покрытий в целях снижения материальных затрат и времени на проведение экспериментов.