|
|
В процесе резания резец выходит из
строя в результате затупления (конец периода стойкости), поломки (полное
разрушение режущей кромки или выкрашивание частиц режущего материала),
размягчения (потеря твердости у стали и приваривание — явления, почти не
наблюдаемые у твердого сплава) и, наконец, в результате все увеличивающегося
износа. Характер износа и его влияние на процесс резания могут быть различны.
На 79 показаны разные виды износа токарного резца,
которые могут проявляться раздельно или одновременно. При работе
твердосплавным инструментом причиной выхода резца из строя является в первую
очередь его износ. Задняя и передняя поверхности резца постепенно истираются
до полного затупления. Тщательное измерение ширины площадки износа
свидетельствует о скачкообразном увеличении износа (каскадный износ), которое
можно объяснить изменениями, происходящими в характерной для твердых сплавов
структуре.
При обработке материалов, дающих сливную стружку (сталь),
резец обычно изнашивается по задней поверхности вследствие трения; износ по
передней поверхности вследствие истирания происходит кратерообразно под
влиянием очень нагретой, твердой, шероховатой и изогнутой стружки, причем за
режущей кромкой образуется корытообразное углубление — так называемая
«лунка». На 80 показан износ по задней поверхности резца (площадка износа),
а на 81 —лунка на передней поверхности твердосплавного резца. При точении
глубина лунки увеличивается, причем ее край, находившийся вначале на
расстоянии — 1 мм за режущей кромкой, приближается к последней по мере
резания. Поскольку одновременно изнашивается и задняя поверхность, полоска
между режущей кромкой и краем лунки (так называемая «полка перед лункой»)
становится все уже, угол заострения уменьшается, что приводит к более или
менее сильному выкрашиванию режущей кромки, и резание становится невозможным.
При определении стойкости твердых сплавов путем измерения
износа резца в большинстве случаев определяют ширину площадки износа В на задней
поверхности резца с помощью измерительного микроскопа. Износ по передней
поверхности, определение которого можно было бы проводить путем измерения
объема лунки, пока не применяется для количественной оценки
Процесс и причины износа металлического режущего материала
при обработке резанием очень сложны. У твердого сплава они связаны со
свойствами обрабатываемого материала и с характерными свойствами структуры
самого режущего материала. В соответствии с описанием стружкообразования
различают материалы, дающие короткую стружку надлома (чугун, цветные металлы,
керамика, пластмассы и т. д.), и материалы, дающие сливную стружку (сталь).
У чугуна удельное сопротивление резанию относительно мало,
поэтому образуется небольшое количество тепла. Короткая стружка надлома
отделяется от материала и сразу спадает без длительного соприкасания с
режущей кромкой. Поскольку в процессе резания стружка является основным
носителем тепла, то при обработке чугуна вследствие небольшого
теплообразования и короткого времени соприкасания лишь с не
большой частью режущей кромки, тепловая нагрузка на
режущую кромку не очень велика. Приваривания чугунной стружки, содержащей
графит, к твердому сплаву под действием тепла и давления, т. е. наростооб-
разования и лункообразования при высоких скоростях резания, как правило, не
наблюдается. Однако чугунные стружка и деталь в большинстве случаев очень
тверды и изнашивают инструмент путем истирания. Кроме того, вследствие
незначительного расширения чугуна общее давление резания концентрируется на
очень малой поверхности лезвия; таким образом, возникающее местное давление
может быть весьма значительным и необходима большая прочность режущей кромки.
Поэтому для обработки чугуна пригодны лишь очень твердые и достаточно вязкие
с хорошей теплопроводностью твердые сплавы высокой износостойкости; этим
требованиям и отвечают в первую очередь сплавы WC—Со.
О причинах износа твердых сплавов WC—Со существует
несколько точек зрения. Согласно Давилю, твердые сплавы с содержанием Со
менее 10% имеют связной карбидный скелет значительной прочности, заполненный
мягким и легкоплавким Со. Последний изнашивается в первую очередь, карбидный
скелет ослабляется и начинает выкрашиваться в зависимости от его твердости и
вязкости. Поскольку это явление носит, по-видимому, периодический характер,
ширина площадки износа приобретает ступенчатую форму (каскадный износ).
Согласно электронномикроскопическим исследованиям Понса и его сотрудников, при
абразивном износе на кристаллах WC появляются трещины, способствующие их
выкрашиванию.
Очень сильный износ по передней поверхности резца (WC—Со)
при точении стали заставил Трента предположить, что здесь образуется жидкая
фаза в виде тонкой пленки, которая быстро удаляется. С помощью экспериментов,
аналогичных опытам Давиля, автору удалось доказать, что между твердыми
сплавами WC—Со и сталью при температуре 1300—1325° С образуется жидкая фаза.
Если в твердом сплаве присутствует TiC, температура повышается до 1350° С и
выше. Несомненно, что в расплавлении поверхности важную роль играет и
давление.
При обработке стали удельное сопротивление резанию в 2—3
раза выше, чем при обработке чугуна, и, следовательно, образуется значительно
большее количество тепла. Длинная сливная стружка сходит по передней
поверхности резца, причем поверхность соприкасания с режущей кромкой большая
и время относительно продолжительное. При этом стружка существенно
деформируется, что также способствует теплообразованию. Все эти факторы
создают значительную термонагрузку на режущую кромку ( в отношении ее
окалино- стойкости и жаропрочности), более высокую, чем при обработке чугуна.
При низких скоростях резания в результате высокой
температуры, значительного давления и относительно продолжительного
соприкасания стружки с режущей кромкой образуются наросты, приводящие
вследствие их периодического отрыва к более или менее сильному выкрашиванию.
По мере увеличения скорости резания это явление постепенно исчезает и начинает
образовываться лунка
В связи с тем, что износ при обработке стали большей
частью является следствием взаимодействия поверхностных сил между
инструментом, стружкой и обрабатываемой деталью (экспериментально это можно
доказать опытами по Давилю путем определения «температуры приваривания» или
прочности сварного шва), склонность к привариванию можно уменьшить при
правильном выборе соответствующих легирующих добавок. Это замедляет
образование нароста, лунки и износа по задней поверхности. Наилучшее действие
оказывают добавки TiC и ТаС и отчасти NbC, ZrC и HfC. Эти карбиды металлов
образуют устойчивые и прочные окислы. Поэтому в настоящее время для обработки
стали применяют твердые сплавы WC—TiC—Со и WC—TiC—ТаС (NbC)—Со.
Причиной износа твердых сплавов WC—TiC—Со, так же как и
сплавов WC—Со, является, по мнению Трента, образование под действием
температуры и давления тонких пленок жидких фаз. Эти пленки быстро удаляются
в результате механического воздействия. Различие между обеими марками
твердого сплава состоит в том, что сплавы WC—TiC—Со образуют со сталью жидкую
фазу лишь при температуре 1350° С и выше. Это подтверждено экспериментально
опытами, аналогичными опытам Давиля, и объясняется характерным поведением
WC—TiC-твердого раствора в подобных марках твердого сплава. Если присутствует
структурно свободный WC, то появляются более легкоплавкие фазы, как и в
сплавах WC—'Со. Наблюдаемая зависимость износа по передней поверхности от
содержания структурно свободного WC в твердых сплавах WC— Т1С—Со
подтверждается и на практике. Замена карбида титана карбидами тантала, ниобия
или гафния ничего не меняет.
По мнению Хиннюбера, наряду с механическим износом в
результате истирания и приваривания значительное влияние на износ оказывает
окисление при высоких температурах. Как указывалось выше, режущая кромка
очень сильно нагревается при высоких скоростях резания материалов, дающих сливную
стружку. В этом случае при температуре до 800° С у твердых сплавов WC—TiC—Со
па воздухе в основном окисляются только кобальт и карбид вольфрама. При
температурах выше 800° С начинается окисление твердого раствора, приводящее к
повышенному износу по передней поверхности. Действительно, при
экспериментальном точении в различных окисляющих и нейтральных атмосферах
наблюдали определенное изменение стойкости
Согласно исследованиям Хэенкампа, вследствие перепада
температур между обрабатываемым материалом п твердосплавным лезвием возникает
термоэлектрический ток, способствующий переносу материала и, следовательно,
процессу износа. В результате термо-диффузин наблюдается довольно быстрый
перенос углерода, что приводит к обезуглероживанию за ней поверхности резца и
к образованию бедных по углероду фаз типа хрупкой т]-фазы.
Таким образом, при образовании сплава между обрабатываемым
материалом и твердым сплавом большую роль играют процессы диффузии. Вопросам
диффузии между соприкасающимися парами пластинок WC (или твердый сплав) —
сталь (или чугун) посвящены металлографические исследования Альтепверта. При
800° С WC начинает взаимодействовать и при 1000° С образуется двойной карбид.
Карбиды же титана и тантала не реагируют до 1500° С. Диффузионный износ при
резании зависит от содержания углерода, причем это относится как к
растворению WC и диффундированию углерода в сталь, так и к диффундированию
углерода из чугуна в твердый сплав. В результате такого разрыхления структуры
твердого сплава создаются предпосылки для его износа. Наличие твердых
растворов, содержащих TiC или ТаС, не способствует растворению WC; их
присутствие препятствует износу.
Опигц и его сотрудники также установили, что окисные
включения в сталях могут привести (вследствие раскисления сплавами кальций —
кремний), к образованию препятствующего износу окисного слоя на токарных
резцах с пластинамп из твердого сплава, содержащего TiC. Таким образом,
незначительные примеси в обрабатываемом материале могут привести к
разноречивым результатам при определении стойкости.
Процесс износа твердого сплава при резании является очень
сложным. Большую роль при этом играют не только механические свойства
режущего материала, по и химические реакции между ним и обрабатываемым
материалом. Многообразие обрабатываемых материалов и разнообразие операций по
резанию требует большого дифференцирования химического состава и структуры
твердых сплавов, что очень затрудняет международную стандартизацию и
обозначение сплавов.
|