Киев, Украина
Киев, Украина
ВАК 05.02.2008 Технология машиностроения
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрены вопросы влияния смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) на формирование эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей машин в результате финишной алмазно-абразивной обработки. Металлообработка в отличие от трения металлов характеризуется более быстрым обновлением поверхностных слоев вследствие стружкообразования и, соответственно, меньшим временем модификации ювенильной поверхности металла под действием внешней среды. В ходе выполнения работы изучалось влияние ряда СОТС как на производительность финишной обработки высокопрочных сталей, так и на трибологические свойства обработанных поверхностей.
трибологические свойства, механическая обработка, адсорбция, спектроскопия, хонингование, доводка, ПАВ
Введение
Современные СОТС для механической обработки – сложные многокомпонентные системы, которые должны обладать целым комплексом свойств, необходимых для достижения качественного процесса металлообработки. СОТС должны обеспечивать оптимальную стойкость инструмента, эффективное охлаждение детали, заданное качество обрабатываемой поверхности, моющее и антикоррозионное действие.
Рациональный путь создания высокоэффективных СОТС заключается в глубоком изучении природы их действия путем научно-обоснованного выбора основы, введения в композицию присадок с необходимым комплексом химических и механо-химических свойств. Для финишной обработки металлов могут применяться СОТС как на углеводородной, так и на водной основе. Учитывая экологические, санитарно-гигиенические аспекты, вопросы пожарной безопасности и существующий практический опыт, наиболее перспективна разработка водосмешиваемых полусинтетических и синтетических СОТС.
Концепция предлагаемой методики и результаты исследований
Антифрикционные свойства СОТС. Исследования антифрикционного воздействия различных химических соединений на стальную поверхность представляют собой однофакторный эксперимент.
Данный эксперимент заключается во введении в базовый состав соединений, содержащих активные химические элементы и их комбинации. При этом установлено, что в зависимости от состава присадки в композиции поверхностный слой металла после обработки имеет различные антифрикционные свойства как по выдерживаемым нагрузкам, так и по коэффициенту трения. Установлено, что минимальный коэффициент трения соответствует применению фосфорсодержащих присадок в пределах 1,2–1,3%.
Соединения, содержащие кремний в составе СОТС, обеспечивают при сухом трении характеристики, подобные фосфатным соединениям. Однако они уступают фосфорсодержащим присадкам по критическим нагрузкам исследуемых поверхностей металла. Для присадок, содержащих одновременно бор и азот зависимость от концентрации характеризуется наличием экстремума. Аналогичные зависимости установлены и для присадок, одновременно содержащих фосфор, серу и азот.
Для финишных операций рабочие жидкости должны обладать высоким антикоррозионным и моющим действием на поверхность. Моющее действие СОТС характеризуется степенью очистки обрабатываемой детали и инструмента от шлама.
В табл. 1 приведены данные по моющему действию, антикоррозионным и смазочным свойствам 3 %-ных водных растворов некоторых неионогенных и анионоактивного ПАВ, где Рс, Н – нагрузка сваривания, Рк, Н – критическая нагрузка, Iз – индекс задира. Скорость коррозии стали Ст. 40 и моющее действие ПАВ изучались на приборе УИСК-1, смазочные свойства – на машине трения ЧШМ.
Таблица 1
Скорость коррозии стали Ст. 40, моющая способность и смазочные свойства ПАВ
|
№ |
ПАВ |
Скорость коррозии Ст. 40, мм/год ´ 10–2 |
Моющая способность,% |
Смазочные свойства по ГОСТ 9490–75 |
||
|
Pс, Н |
Рк, Н |
Iз |
||||
|
1 |
Синтанол АЛМ–10 |
7,20 |
45,0 |
1410 |
320 |
23,7 |
|
2 |
Синтанол АЦСЕ–12 |
7,00 |
34,0 |
1260 |
560 |
24,9 |
|
3 |
Синтанол ДС–10 |
11,20 |
52,0 |
1260 |
710 |
27,7 |
|
4 |
Синтамид–5 |
0,64 |
50,0 |
1190 |
750 |
33,7 |
|
5 |
Стеарокс–б |
1,44 |
20,5 |
1330 |
800 |
41,2 |
|
6 |
Синакто–406* |
0,32 |
28,5 |
1260 |
1000 |
46,3 |
|
7 |
Олеат триэтаноламина |
0,32 |
17,0 |
1000 |
890 |
39,6 |
|
8 |
Неонол АФ–9–10 |
12,00 |
48,0 |
1330 |
425 |
35,7 |
Анионоактивная
Из приведенных в табл. 1 результатов видно, что высокой моющей способностью обладают неионогенные ПАВ, оксиэтилированные спирты, которые, однако, характеризуются невысокими антикоррозионными и смазывающими свойствами. Удовлетворительную моющую способность, антикоррозионные и смазывающие свойства имеют оксиэтилированные амиды. Оксиэтилированные кислоты так же, как и анионоактивные ПАВ, мыла и сульфанаты, обладают низкой моющей способностью, но имеют значительно лучшие антикоррозионные и смазывающие свойства. Как правило, в композициях СОТС присутствуют анионоактивные ПАВ – мыла высших жирных кислот, которые несут ответственность за основные функциональные свойства СОТС, и неионогенные ПАВ. Последние выполняют вспомогательную функцию, улучшают некоторые свойства композиции, например стабильность к минерализованным водам и моющую способность [1].
Механизм воздействия СОТС на обрабатываемую поверхность. Проведен ряд экспериментов с целью изучения влияния ряда СОТС как на производительность финишной обработки, так и на физико-химическое состояние и трибологические свойства обработанных поверхностей, а также возможности создания по результатам проведенных исследований относительно универсальной микроэмульсионной СОТС на базе существующих в Украине ассортиментов масел, ПАВ, ингибиторов коррозии, легирующих присадок и др.
Образцами СОТС служили как известные составы, например, Камикс, Нопе Rіght (США), так и карбамид, содержащий в своем составе бор, бор-фосфорсодержащая присадка, водорастворимый фосфат, трибутилфосфат (маслорастворимый), концентрат СОТС Трибол, имеющий в своем составе соединения бора, азота и фосфора; этиловый эфир солей жирных кислот; метиловый эфир рапсового масла; Саркозил-О, имеющий в своем составе легко разлагаемые соединения хлора.
Трибологические свойства поверхностей образцов после обработки изучали по методике УкрНИИНП "МАСМА" при сухом трении в атмосфере воздуха на вибротрибометре Орtimol SRV, применяя схему трения шар-плоскость. Применялись шары диаметром
Физико-химическое состояние поверхностных слоев стали и его изменение при обработке и трибологических исследованиях изучали методами электронной растровой микроскопии и Оже-спектрометрии с помощью Оже-спектрального микрозонда JАМР-10S. Глубинное распределение элементного состава поверхностных слоев определяли с помощью их ступенчатого распыления ионами Аг+ [2].
Исследования показали идентичность влияния СОТС на стали ШХ15 и 12Х1МФ, которое далее иллюстрируется на примере стали ШХ15.
Полученные для ряда СОТС характеристики приведены в табл. 2. Видно, и это подтверждается в целом, что масляный компонент СОТС как для углеводородных (керосин), так и водосмешиваемых СОТС (Камикс, Ноnе Right, модельные микроэмульсии) при оптимальной концентрации их водных растворов обеспечивает близкие значения величины Рс. Водные среды и присадки, в свою очередь, способствуют значительным изменениям величины Рк, слабо влияя на значения Рс .
Таблица 2
Смазочные свойства СОТС и их корреляция с производительностью алмазно-абразивной обработки на стенде стали ШХ15 и свойствами обработанной поверхности
|
Наименование СОТС*
|
Машина трения ЧМТ–1 |
D, мм |
Машина трения Optimol SRV |
||
|
Рк, Н |
Рс, Н |
f ** |
Рсв, Н/мм2 |
||
|
Керосин |
450 |
1260 |
0,05 |
0,47 |
95 |
|
Hone Right |
750 |
1500 |
0,02 |
0,47 |
99 |
|
Камикс |
1060 |
1330 |
0,05 |
0,43 |
109 |
|
Экспериментальная основа с присадками: |
|||||
|
№1. Дибутилфосфат |
1190 |
1330 |
0,05 |
0,43 |
119 |
|
№2. Триполифосфат |
1410 |
1500 |
0,09 |
0,39 |
123 |
|
№3. Фосан |
1190 |
1260 |
0,09 |
0,40 |
123 |
|
Данные приводятся для оптимальных концентраций водных растворов СОТС (3–6% по массе), что соответствует примерно одинаковому содержанию присадок. Значения коэффициента трения при нагрузке 40 Н. |
|||||
Модельные микроэмульсии, имеющие в отличие от других СОТС большее содержание присадок по отношению к концентрации масляной базы, характеризуются большей производительностью обработки стали, более мелкодисперстным состоянием стальной стружки, отсутствием на обработанных поверхностях следов от предварительных проходов инструмента (рис. 1), меньшей их шероховатостью и лучшими трибологическими свойствами. Важными критериями подбора СОТС для оптимизации свойств обработанных стальных поверхностей могут быть величины Рк и Рк / Рс, характеризующие противозадирное действие самих СОТС.
Оже-спектральные исследования выявили однотипный характер модификации поверхности сталей при обработке. Можно было бы предположить, что разнообразный компонентный состав модельных микроэмульсий должен приводить и к существенному отличию элементного состава обработанных поверхностей. Однако это не подтверждается экспериментально, так как во всех случаях поверхность стали при финишной обработке насыщалась практически только двумя элементами – кислородом и углеродом.
|
|
|
|
а) |
б) |
|
Рис. 1. Поверхность стали ШХ15 после алмазно–абразивной обработки в различных СОТС: а – керосин (Рк/Рс=0,36; Ra=1,3 мкм); б – экспериментальная СОТС №2 (Рк / Рс=0,94; Ra=0,28 мкм) |
|
Углеводородные компоненты СОТС способствовали насыщению обработанных поверхностей углеродом, что предотвращало их окисление. При этом такие элементы СОТС, как фосфор, азот, бор не диффундировали в металл и не накапливались в количествах, больших 1 % (ат.) даже в адсорбционном слое. Сера при увеличении ее содержания в составе СОТС до 0,3 % по массе начинала одновременно с углеродом также диффундировать в сталь на значительные глубины и непосредственно влиять на механические свойства ее поверхностных слоев. Но в отличии от длительного трения, когда сера имеет равномерный характер распределения с максимумом концентрации на поверхности 5–20 % (ат.), после финишной обработки ее атомы хаотично распределялись в поверхностных слоях лишь в микроконцентрациях, в диапазоне 0–0,5 % (ат.).
 |
Рис. 2. Оже–спектры стали ШХ15 ювенильной поверхности
в вакууме (а); адсорбционного (б), оксидного (в) и науглероженного
(г) поверхностных слоев после обработки в экспериментальной СОТС № 2
По сравнению с ювенильной поверхностью стали (рис. 2а) на оже-спектре обработанного в СОТС образца (рис. 2б) превалирует по интенсивности линия углерода. После распыления адсорбированных углеводородов ионами Аг+ в течение 30 с обнаруживается слой оксида железа (рис. 2в). Этот поверхностный слой препятствует диффузии в объем стали элементов СОТС. Углерод, диффундируя через оксидный слой, теряет водородное окружение, которое он имеет в адсорбционном слое, и в подповерхностных микрообъемах (рис. 2г) образует карбидные структуры с железом и хромом (для хромсодержащих сталей), про что свидетельствует форма оже–линий углерода в различных подслоях.
Сера, фосфор, азот, бор, в зависимости от химического состояния и типа присадок, в составе которых они находятся, выполняют роль агентов, которые активируют или блокируют поверхность оксидного слоя и тем ускоряют или замедляют процессы науглероживания и окисления стали во время финишной обработки.
На базе проведенных исследований совместно с УкрНИИНП "МАСМА", г. Киев, разработан состав универсальной микроэмульсионной СОТС Трибол (экспериментальный состав СОТС № 2 в табл. 2). Компоненты, входящие в эту СОТС, активно воздействуют на поверхность термообработанных сталей, эффективно повышая производительность их обработки и обеспечивая им повышенные трибологические свойства и задиростойкость.
Заключение
Из полученных результатов можно сделать заключение, что при финишной обработке в среде водосмешиваемых СОТС важную роль в формировании свойств обработанной поверхности играют углеводородные компоненты и присадки, которые способствуют образованию наиболее тонких модифицированных углеродом и кислородом поверхностных слоев. Качество и износостойкость поверхности деталей улучшается одновременно с ростом производительности их обработки в присутствии микроэмульсионных СОТС с лучшими противозадирными свойствами, связанными с введением фосфатсодержащих присадок.
1. Рыжов, Ю. Э. Влияние моющей способности СОТС на финишную обработку конструкционных сталей / Ю.Э. Рыжов, В.Т. Процишин, О.А. Мищук, А.Е. Кобелянский // Инструментальный свет. - 2002. - №4 (16). - С. 12-14.
2. Процишин, В.Т. Влияние СОЖ на трибологические характеристики поверхности / В.Т. Процишин, Ю.Э. Рыжов, В.А. Полищук, О.А. Мищук // Наука производству. - 1999. - № 2. - С. 12-14.
