Волжский, Вологодская область, Россия
с 01.01.2017 по настоящее время
Волжский, Волгоградская область, Россия
УДК 621.923 Шлифование, полирование и подобные процессы. Методы и оборудование
Внедренные продукты износа абразивного инструмента на поверхности ответственных изделий из титановых сплавов являются критическим дефектом, способным значимо снижать срок службы узла из-за интенсивного абразивного износа контактирующих поверхностей и образования усталостных трещин. На примере резания единичным зерном показано, что в результате микроскалывания абразивного материала уменьшается перенос металла на контактирующие поверхности зерна и происходит внедрение продуктов износа в обрабатываемую поверхность. При шлифовании инструментами из сверхтвердых материалов возможность контроля и управления данным процессом методом рентгеноспектрального анализа ограничена в результате значительной погрешности определения малых концентраций легких элементов. С целью измерения параметров переноса продуктов износа абразивного материала, предложен способ, основанный на анализе изображений шлифованных поверхностей, полученных в обратно-рассеянных электронах. На основании результатов элементного анализа определен состав продуктов износа и погрешности измерения параметров переноса при шлифовании кругами из карбида кремния и кубическим нитридом бора (КНБ), а именно числа и площади внедренных частиц. Доля внедренных кристаллов абразивных материалов для кругов из карбида кремния – 80 % и для кругов из КНБ – 70 %, в том числе 20 % кристаллы корунда (наполнитель).
титан, карбид кремния, кубический нитрид бора, микроцарапание, шлифование, перенос материала, химический состав
Введение
Шлифование – процесс микроцарапания обрабатываемого материала вершинами зёрен абразивного инструмента (АИ) [1, 2]. Важнейшим свойством АИ является самозатачиваемость – «свойство абразивного инструмента сохранять работоспособное состояние вследствие образования новых выступов и режущих кромок у абразивных зерен при абразивной обработке» (ГОСТ 21445). Образование новых режущих кромок снижает силу резания и температуру в зоне контакта, определяет производительность и стойкость шлифовальных кругов [3].
С увеличением размеров площадки износа возрастает сила, действующая на зерно, и внутренние растягивающие напряжения, при достижении которыми критических значений в материале образуются трещины, являющиеся причиной скалывания фрагментов зерна [4, 5]. Если самозатачиваемость зерна проявляется в меньшей степени, происходит разрушение связки и вырывание зёрен, в результате, снижается коэффициент шлифования, возрастает шероховатость обработанной поверхности [6].
Множество исследований процесса шлифования инструментом из кубического нитрида бора (КНБ) свидетельствуют о предпочтительности самозатачиваемости абразивного материала. Созданы и разрабатываются поликристаллические зерна кубического нитрида бора, обладающие регулируемой самозатачиваемостью. Из классических абразивных материалов большей склонностью к самозатачиванию обладают зерна карбида кремния, что во многом определяется высокой хрупкостью материала по сравнению, например, с корундом. С целью повышения самозатачиваемости разработаны поликристаллические материалы на основе корунда [7 – 9].
Образование продуктов износа абразивного материала происходит непосредственно в зоне контакта, что определяет вторую и менее изученную сторону самозатачивания: отделившиеся непосредственно в зоне резания фрагменты абразивного зерна способны внедряться в обрабатываемую поверхность. Кристаллы, внедренные на поверхность изделия, являются концентраторами напряжений, нарушают целостность поверхности и оказывают негативное влияние на эксплуатационные свойства. При работе изделий, особенно в условиях знакопеременных нагрузок, концентраторы напряжений снижают усталостную прочность материала и вносят непредсказуемость в показатели надежности, что имеет большое
значение при эксплуатации ответственных
изделий [10, 11]
Взаимоперенос материалов при шлифовании и других видах абразивной обработки во многом определяется адгезионной активностью обрабатываемого материала. Наибольшей адгезионной активностью в ряду d-переходных металлов IV периода обладает титан [12]. Поэтому при шлифовании титана и его сплавов инструментом из карбида кремния перенос продуктов износа абразивного инструмента в 5 – 8 раз больше, по сравнению, например, с железом, кобальтом и никелем. Внедрение продуктов износа инструментов из классических абразивных материалов в поверхность титановых сплавов является доказанным фактом [13, 14]. Интенсивность переноса абразивных инструментов из карбида кремния и корунда определяли по изменению концентрации, соответственно, кремния и алюминия [13]. При шлифовании инструментами из КНБ и алмаза достоверное определение концентрации бора, азота и углерода только в результате переноса из абразивного материала осложняется наличием указанных элементов в окружающей среде и методическими трудностями отделения пиков этих элементов от тормозного рентгеновского излучения [15]. В связи с этим, интенсивность переноса материала абразивных инструментов из алмаза и КНБ определяют в результате анализа изображения обработанной поверхности в обратно рассеянных электронах [16].
Как было отмечено ранее, удаление обрабатываемого материала при шлифовании происходит в результате микроцарапания вершинами зёрен. Поэтому и перенос материалов при шлифовании следует рассматривать, как результат взаимодействия единичных вершин зёрен с обрабатываемым материалом. Тем не менее, шлифование отличается от царапания единичными зёрнами. К отличительным особенностям переноса материалов при шлифовании следует отнести присутствие на обработанной поверхности материала связки, в том числе, в сочетании с абразивным материалом [12], возможность изменения размера и положения ранее перенесённых продуктов износа в результате контакта с другими зернами абразивного инструмента, в том числе, на последующих проходах. Сравнительный анализ переноса материала при микроцарапании единичной вершиной зерна и шлифовании абразивным инструментом способствует более глубокому пониманию процесса.
Цель работы – исследование переноса абразивного материала на обработанную поверхность при микроцарапании инденторами и шлифовании абразивными инструментами из карбида кремния и кубического нитрида бора.
Методика исследований
В качестве обрабатываемого металла использовали технически чистый титановый сплав марки ВТ1-00 (ГОСТ 19807-91), не содержащий легирующих элементов, массовая доля титана более 99,6 %. Содержания кремния и углерода в титановом сплаве ВТ1-00 не более, соответственно, 0,08 и 0,05 %, содержание бора не указано (ГОСТ 19807-91). Выбор титанового сплава обусловлен высокой адгезионной активностью металла, минимальное содержание примесей в сплаве снижает точность определения концентрации химических элементов, входящих абразивных материалов. Царапание осуществляли инденторами из карбида кремния зеленого (далее – карбид кремния), производитель ОАО «Волжский абразивный завод» и кубического нитрида бора (КНБ), производитель АО «Абразивный завод «Ильич». Вершины кристаллов перед царапанием затачивали на заточном станке алмазным абразивным инструментом, угол конуса 120 °, радиус округления вершины 25…30 мкм. Поверхности титанового сплава для микроцарапания подготавливали на прецизионном профилешлифовальном станке CHEVALIER с числовым программным управлением мод. Smart-B1224III [17]. Шероховатость поверхности образца Ra не превышала 0,2 мкм. После этого шлифовальный круг заменяли металлическим диском, в торцовой поверхности которого закрепляли индентор и ориентировали его перпендикулярно поверхности образца. С помощью щупа устанавливали зазор между индентором и поверхностью образца 4…50 мкм. Включали вращение шпинделя и вручную, управляя возвратно-поступательным поперечным (осевым) перемещением стола, одновременно опускали шпиндель станка и фиксировали начало появления царапин на поверхности титанового сплава. Касание вершины индентора с поверхностью заготовки определяли по дорожке царапин. Как показали эксперименты, глубина видимой дорожки царапин не превышала 2 мкм, скорость резания 35 м/с.
Профиль царапины измеряли профилометром Surftest SJ-410. Морфологию царапин исследовали на двухлучевом растровом электронном микроскопе Versa 3D LoVac. Для определения кристаллов абразивных материалов, перенесенных на поверхность титанового сплава, изображение получали в обратно-рассеянных электронах. На поверхности титана внедренные объекты выделяются низким градационным уровнем яркости. Средний атомный номер кубического нитрида бора – 6, карбида кремния – 10, титана – 22. Химический состав предполагаемых кристаллов абразивных материалов определяли методом рентгеноспектрального анализа.
Результаты исследования царапин сопоставляли с состоянием поверхности титанового сплава после шлифовании абразивными инструментами из карбида кремния и кубического нитрида бора. Характеристики абразивных инструментов
Результаты, обсуждение результатов
Перенос кристаллов карбида кремния и КНБ при царапании.
В результате исследования морфологии и размеров царапин на оптическом микроскопе показано, что на фоне плавного уменьшения длины царапин значительных изменений размеров не установлено. Тем не менее, в отдельных царапинах обнаружены инородные объекты. Морфологию царапин и внедренных объектов исследовали на электронном микроскопе (рис. 1). Направление резания справа налево.
При микроцарапании индентором из карбида кремния (рис. 1, а) слева от большого кристалла 1 образовался валик металла 2, что хорошо согласуется с направлением движения индентора. В результате перемещения возрастающего объема металла, увеличивается сила сопротивления движению индентора, что и явилось причиной скалывания данного фрагмента кристалла. Отдельные мелкие фрагменты кристаллов расположены справа по ходу движения 3. Размер видимой части продуктов износа от 1,0 до 40 мкм. На рис. 1, б показана группа кристаллов приблизительно одинакового размера и формы. Справа видна дорожка скольжения, оставленная данной группой кристаллов, слева валик металла, остановивший перемещение кристаллов. Размер кристаллов около 5 мкм.
Фрагменты кристаллов КНБ, вдавленные в поверхность царапины, показаны на рис. 1, в. Хорошо выраженные дорожки справа и слева от внедренных кристаллов свидетельствует о том, что отделившиеся кристаллы расположены не в первом ряду площадки износа по направлению её движения. Размер продуктов износа от 1,0 до 20 мкм. Кристаллы длиной 5…10 мкм показаны на рис.
На основе анализа размеров кристаллов, вдавленных в поверхность царапин, установлено, что размеры продуктов износа абразивного материала после царапания индентором из КНБ почти в два раза меньше, по сравнению с продуктами износа инденторов из карбида кремния.
Спектрограмма объектов, обнаруженных на поверхности царапин после взаимодействия с вершиной индентора из карбида кремния (рис. 2, а), свидетельствует о наличии углерода и кремния, составляющих молекулу карбида кремния. В спектрограмме объектов, присутствующих в царапинах, образованных индентором из КНБ, основными химическими элементами являются азот и бор (рис. 2, б). В каждой спектрограмм присутствует титан.
Для наглядного представления о химическом составе внедренных объектов, интенсивность пика линий представлена в атомных долях (табл. 1). В карбиде кремния содержание атомов углерода в два раза превышает содержание атомов кремния. Установлено, что с увеличением энергии активации различие в атомных концентрациях кремния и углерода снижается [18]. Учитывая, что с увеличением энергии активации глубина зоны генерации рентгеновского характеристического излучения возрастает, соответственно, информация о содержании химических элементов усредняется в большем объёме анализируемого материала. В результате различия в атомарных концентрациях кремния и углерода, обусловленные повышенной концентрацией углерода на поверхности кристалла с увеличением энергии активации снижаются. В составе КНБ присутствует магний, выступающий инициатором превращения гексагонального нитрида бора в кубическую модификацию [19].
Полученный в результате количественного анализа химический состав исследуемых объектов (табл. 1), позволяет идентифицировать объекты, как внедренные продукты износа карбида кремния и КНБ.
Перенос материала при шлифовании.
Продуктами износа абразивного инструмента при шлифовании являются кристаллы абразивных материалов, фрагменты связки и кристаллы абразивного материала со связкой. Инструменты из сверхтвердых материалов в своем составе содержат наполнители. В частности, используемые инструменты из КНБ в качестве наполнителя содержат шлифовальные порошки из электрокорунда. Поэтому в продуктах износа могут появиться кристаллы корунда в различном сочетании. Уровень яркости перечисленных объектов отличается несущественно, что не позволяет классифицировать на шлифованной поверхности по данному критерию. Перечисленные объекты объединены в одну группу.
На рис. 3 представлены 54 объекта, выделенные на шлифованной поверхности титанового сплава ВТ1-00 после шлифования абразивным инструментом из кубического нитрида бора. Последующее разделение выделенных объектов осуществляли методом рентгеноспектрального анализа, по результатам которого выделены 4 группы: КНБ, корунд, связка и элементы рельефа шлифованной поверхности. На рис. 4, а приведена спектрограмма характеристического рентгеновского излучения частицы КНБ (объект 2 на рис. 3). Идентификацию подобных объектов делали по наличию пиков B, N и Ti. К данной группе отнесено 34 объекта, что составляет 65 % от общего количества.
Спектрограмма корунда дана на примере объекта 4 (рис. 4, б), где присутствуют два пика основных химических элементов: Al и O. Атомная концентрация элементов близка к пропорции 2:3 (табл. 2). В принадлежности к корунду идентифицированы 10 объектов, что составляет 19 % от общего числа предполагаемых продуктов износа. В отличии от корунда и нитрида бора в состав связки входит множество компонентов (рис. 4, в, г). Характерным набором элементов являются алюминий, кислород, углерод, магний, кальций, калий и натрий [20]. К связке отнесены пять объектов, что составляет около 9 % от общего числа выделенных предполагаемых продуктов износа.
В результате исследований выделена ещё одна группа – элементы рельефа обработанной поверхности. Рентгенограмма этой группы не имеет интенсивных пиков химических элементов, за исключением титана и отличается повышенным фоном (рис. 4, д). Элементный состав таких объектов определен со значительной погрешностью (табл. 2, объект 19). К элементам рельефа отнесены объекты 19, 31, 37 и 53, что составляет около 7 % от общего количества. Площадь указанных объектов не превышает 2 % от суммарной площади выделенных 54 объектов. Суммарная площадь продуктов износа, внедренных в обработанную поверхность, составляет менее 0,01 %.
При шлифовании кругом из карбида кремния выделено 70 объектов. Результаты рентгеноспектрального анализа представлены на рис. 6. На основании полученных рентгенограмм объекты разделены на три группы: элементы рельефа (рис 5, а), карбид кремния
(рис. 5, б) и фрагменты связки (рис. 5, в).
К элементам рельефа отнесены 24 объекта
(34 %), карбид кремния – 37 объектов (53 %), керамическая связка – 9 объектов (13 %).
Суммарная площадь выделенных объектов 2207 мкм2, на объекты, идентифицированные как элементы рельефа, приходится 130 мкм2, что составляет 6 % от общей площади.
Выводы
Подтверждено, что при микроцарапании титана инденторами из КНБ и карбида кремния происходит перенос продуктов износа в поверхность царапины. Рентгеноспектральным анализом определен химический состав продуктов износа.
Установлено, что максимальные размеры кристаллов из карбида кремния, внедренных в поверхность царапины, почти в два раза превосходят максимальный размер кристаллов из кубического нитрида бора.
На основе рентгеноспектрального микроанализа дана классификация продуктов износа абразивных инструментов, внедренных в обработанную поверхность титанового сплава при шлифовании инструментами из карбида кремния и кубического нитрида бора: абразивный материал (карбид кремния или кубический нитрид бора), связка, наполнитель (зерна корунда в инструменте из кубического нитрида бора). Кроме перечисленных рентгеноспектральный анализ определил некоторые выделенные объекты, как ложные, выделение которых обусловлено рельефом поверхности.
Определена доля перечисленных объектов в общем количестве объектов, выделенных методом бинаризации изображения поверхности в обратно рассеянных электронах. При шлифовании абразивными инструментами из кубического нитрида бора / карбида кремния: основной абразивный материал – 65 % / 53 %, наполнитель (корунд) – 19 % / 0 %; связка – 9 % / 20 %, ложные объекты – 7 % / 34 %. Большое количество ложных выделенных продуктов износа при шлифовании инструментом из карбида кремния обусловлено меньшей разницей градационных уровней яркости между карбидом кремния и элементами рельефа по сравнению с кубическим нитридом бора.
1. Справочник технолога / Суслов А.Г., Безъязычный В.Ф., Базров Б.М. [и др.]; общ. ред.Суслов А. Г. М.: Инновационное машиностроение, 2019. 799 с.: ил. ISBN 978-5-907104-23-5.
2. Malkin S. Grinding Technology: Theory and Applications of Machining with Abrasives, Ellis Horwood Limited, Chichester, UK, 1989. 275 p. ISBN 0-85312-756-5
3. Ichida Y. Formation Mechanism of Grain Cutting Edges in Micro Dressing of Polycrystalline cBN Grinding Wheels // Key Engineering Materials. 2012. Vol. 523. P. 137–142. DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.523-524.137.
4. Zhao Z., Fu Y, Xu J., Zhang Z. Behavior and quantitative characterization of CBN wheel wear in highspeed grinding of nickel-based superalloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016. Vol. 87. P. 3545–3555. DOI:https://doi.org/10.1007/s00170-016-8686-1
5. Лобанов Д. В., Секлетина Л.С., Янюшкин А.Р. Комбинированная электроалмазная обработка алмазными кругами на металлической связке // Актуальные проблемы в машиностроении. 2019. Т. 6, № 1 – 4. С. 110–116. EDN XCMUJX.
6. Ghosh A., Chattopadhyay A.K. On grit-failure of an indigenously developed single layer brazed CBN wheel // Industrial Diamond Review. 2007. Vol. 67. P. 59–64.
7. Zhu Y., Ding W., Rao Z., Zhao Z. Self-sharpening ability of monolayer brazed polycrystalline CBN grinding wheel during high-speed grinding // Ceramics International. 2019. Vol. 45. P. 24078–24089. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.115
8. Huang, X., LI H.N., Rao Z., Ding W. Fracture behavior and self-sharpening mechanisms of polycrystalline cubic boron nitride in grinding based on cohesive element method // Chinese Journal of Aeronautics. 2018. Vol. 32. P. 2727–2742. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cja.2018.11.004
9. Mohan R, Ramachandran D. A review of self-sharpening mechanisms of fixed abrasive tools // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2019. Vol. 10. P. 965–974.
10. Effects of abrasive material and hardness of grinding wheel on rail grinding behaviors / R.X. Wang, K. Zhou, J.Y. Yang, H. Ding, W. Wang, J. Guo, Q.Y. Liu // Wear. 2020. DOI:203332.https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203332.
11. Boud F., Carpenter C., Folkes J., Shipway P. Abrasive waterjet cutting of a titanium alloy: The influence of abrasive morphology and mechanical properties on workpiece grit embedment and cut quality // Journal of Materials Processing Technology - J MATER PROCESS TECHNOL. 2010. Vol. 210. P. 2197–2205. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.08.006.
12. Носенко В.А., Фетисов А.В., Сердюков Н.Д. Морфология и химический состав поверхности титанового сплава после шлифования кругом из карбида кремния // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2019. № 12 (102). C. 22–28.
13. Носенко В.А., Фетисов А.В., Носенко С.В., Харламов В.О. Интенсивность контактного взаимодействия и перенос материалов при шлифовании и микроцарапании тугоплавких металлов // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2017. № 10 (76). C. 9–18.
14. Xu X., Yu Y., Huang H. Mechanisms of abrasive wear in the grinding of titanium (TC4) and nickel (K417) alloys // Wear. 2003. Vol. 255. P. 1421–1426. DOI:
15. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия / Синдо Д., Оикава Т. М.: Техносфера, 2006. 256 с. ISBN: 5-94836-064-4.
16. Пат. 2768518 РФ, МПК G01N 19/08 [и др.] Способ определения степени шаржирования металлических поверхностей абразивными зернами из сверхтвердых абразивных материалов / В.А. Носенко, С.П. Кузнецов, Н.Д. Сердюков; ФГБОУ ВО ВолгГТУ. - 2022.
17. Носенко В.А., Белухин Р.А., Фетисов А.В., Морозова Л.К. Испытательный комплекс на базе прецизионного профилешлифовального станка с ЧПУ CHEVALIER модели SMART-B1224 III // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2016. № 5 (184). – С. 35-39. EDN: https://elibrary.ru/VYWZTN.
18. Носенко В.А., Носенко С.В., Авилов А.В., Бахмат В.И. Рентгеноспектральный микроанализ поверхности карбида кремния после микроцарапания титана // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2015. Т. 15, № 1. С. 69–79. EDN TGRQLF.
19. Волков Г.Н., Гаршин А.П. Сравнительные показатели абразивных порошков из кубического нитрида бора // Новые огнеупоры. 2020. №8. С. 31–40. ISSN 1683-4518 https://doi.org/10.17073/1683-4518-2020-8-31-40.
20. Sun X., Yu T., Chen Y., Zhang C., Ma Z. Effect of cobalt on properties of vitrified bond and vitrified cubic boron nitride composites, // Ceramics International. 2019. Vol. 46. P. 5337–5343. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.10.286.
