Изнашивание и разрушение режущих инструментов

Изучение механизма и природы износа инструмента постоянно привлекало и привлекает внимание исследователей резания металлов. Выдвинутые гипотезы и теории износа относились вначале
к инструментам из углеродистых и быстрорежущих сталей, затем –
к твердым сплавам, алмазу, минералокерамическим, сверхтвердым ма­териалам и т.д.

В настоящее время большинство исследователей считают, что режущий инструмент подвергается различным по природе видам из­носа – абразивному, адгезионному, диффузионному, химическому, термическому, электрическому и прочим. В зависимости от условий резания превалирующим может быть один вид износа или же инст­ру­мент подвергается одновременно действию различных видов износа.

4.2.1. Напряжения в инструменте
и виды износа инструмента

В результате высокого давления, температуры и скорости относительного перемещения контактные поверхности инструмента
в процессе его эксплуатации изнашиваются. Изнашивание режущего инструмента в процессе резания протекает весьма разнообразно
в связи с различными условиями его работы. Эти условия могут резко изменяться в зависимости от обрабаты­ваемого материала, геометрии и материала инструмента, скорости резания, величины среза, смазочно-охлаждающей среды, жестко­сти технологической системы.

Практически можно наблюдать следующие процессы износа (рис. 97):

– изнашивается преимущественно передняя поверхность и незначительно задняя поверхность резца (см. рис. 97, б);

– истирается сильно задняя и слабо передняя поверхности
(см. рис. 97, а);

– одновременно изнашиваются передняя и задняя поверх­ности (см. рис. 97, в);

– закругляется режущая кромка.

а б в

 

Рис. 97. Виды износа инструмента

Преимущественный износ передней поверхности происходит при обработке пластичных сталей с устойчивым наростом, защищающим режущую кромку от непосредственного воздействия стружки и поверхности резания. Подобный износ имеет место при снятии крупных стружек, а также при больших скоростях резания
и часто наблюдается у резцов с отрицательными перед­ними углами. Износ по передней поверхности образуется при резании пластичных материалов с большой толщиной среза (> 0,5 мм). Увеличение глубины h _ли ширины с приводит к уменьшению перемычки f.

Значителен износ задней поверхности с увеличением положи­тельного переднего угла также у резцов с малыми задними углами. Износ по задней поверхности наблюдается в случае резания с малой толщиной среза, фаска износа образуется с нулевым задним углом
(или отрицательным). Он особенно заметен при грубой обработке хрупких металлов, в частности чугуна, а также вязких аустенитных сталей и сплавов, обладающих большим упругим последейст­вием. В этом случае резание происходит с повышенной темпера­турой вследствие сла­бой теплопроводности обоих металлов;
притом неровная поверх­ность резания, обладая значительными абра­зив­ными свойствами, способствует износу задней поверхности инструмента.

При обработке сталей, обладающих значительной истирающей способностью и особой склонностью к наклепу, когда в процессе деформации выделяется карбидная фаза, наблюдается сильное изнашивание одновременно передней и задней поверхностей резца. Увеличение лунки приводит к изменению действительных переднего угла g и угла резания d.

Износ по передней и задней поверхности наблюдается при обра­ботке пластичных материалов со средней величиной среза (от 0,1 до 0,5 мм).Главная причина выхода инструмента из строя – нарастание износа h _л (см. рис. 97, в).

Округление режущей кромки (вершины) инструмента наблюдается, как правило, при чистовой обработке материалов, обладающих низкой (малой) теплопроводностью.

При чистовой обработке износо- и теплостойким инструментом материалов, обладающих малой теплопроводностью, например пластмасс, режущая кромка инструмента плавно закругляется. Износ самой режущей кромки особенно развивается в процессе резания вязких высокопрочных материалов (аустенитных сталей). В этом случае необходимо уменьшить наклеп обрабатываемого материала путем тщательной заточки режущей кромки с малым радиусом закругления, чтобы усилить режущий эффект.

Наиболее типичный процесс износа твердосплавных резцов при скоростной обработке стали протекает примерно в такой по­следовательности. Сначала происходит постепенное закругление режущей кромки, невидимое невооруженным глазом, но заметное через микроскоп. На передней поверхности появляются следы будущей лунки в виде светлой полосы, а на задней поверхности – узкая фаска износа. В первый момент стружка прямая, шпагообразная, а затем изогнутая и путаная. Но через некоторое время по мере углубления лунки на передней поверхности стружка завивается в спирали, сначала длинные, а затем все более короткие. Лунка постепенно углубляется и расширяется главным образом в на­правлении движения стружки. Вдоль режущей кромки по задней поверхности непрерывно расширяется ленточка износа, а на передней поверхности суживается фаска. При этом стружка завивается в короткие спирали все уменьшающегося со временем диаметра, а затем сходит в виде связанных между собой дугооб­разных элементов. Режущая кромка изнашивается неравномерно: в первую очередь и наиболее интенсивно вырабатываются участки скоплений кобальтовой фазы и мелких разобщенных зерен WC. Через некоторое время режущая кромка частично выкрашивается, и стружка в форме бочкообразных элементов стреми­тельно вылетает вверх от резца. Это признаки полного затупления резца. На обработанной поверхности замечаются прилипшие мелкие частицы.

При скоростном точении стали твердосплавным резцом с положительным передним углом g = +5° длина лунки с растет в обе стороны, в результате чего ширина фаски f уменьшается, (рис. 98, 1 и 3).

 

 

Рис. 98. Изменение ширины фаски и лунки износа на перед­ней поверхности резца с различными передними углами: 1 – с ₁ при g = +5°; 2 – с ₂ при g = –35°; 3 – f ₁ при g = +5°; 4 – f ₂ при g = –35°

 

Между тем у резца с передним углом g =–35° фаска оставалась неизменной, т.е. лунка на передней поверхности резца удлинялась лишь в сторону движения стружки (рис. 98, 2 и 4). Это явление можно объяснить тем, что в процессе резания с увеличением угла резания наряду с повышением тем­пературы напряженное состояние зоны резания максимально при­ближается к объемному сжатию и, следовательно, пластичность металла в зоне резания увеличивается. Вместе
с этим, как известно, уменьшается угол сдвига, в связи с чем изменяется направление стружки. Рассмотренный процесс сопровождается как повышением на­грузки, так и увеличением вибраций. Однако при образовании лунки, когда режущая кромка еще не разрушена, наблюдается обратное явление – станок работает легче, начавшиеся вибрации уменьшаются; с появлением лунки уменьшается фактический угол резания d_ф, стружка более плавно отходит (рис. 99). В этих условиях облегчается образование устойчивого нароста, защищающего режущую кромку вместе с фаской на передней поверх­ности резца, что способствует более спокойной работе. Образование и развитие лунки на передней поверх­ности резца
в большой мере зависит от степени взаимодей­ствия обрабатываемого и инст­­рументального материа­лов.

Надо заметить, что удары, вибрации, колебания нагрузок по различным причинам сильно ускоряют износ инструмента, особенно хрупкого, например твердосплавного и минералокерамического.

Перерывы в работе и связанное с этим частое врезание резца
в обрабатываемую деталь также усиливают износ хрупкого ин­струмента, и тем интенсивнее, чем чаще происходит врезание. Надо полагать, что отрицательный эффект работы с перерывами вызывается не только механическими ударами при врезании, но и температурой режущей кромки, которая значительно ниже при работе с перерывами. В последнем случае хрупкая режущая кромка подвергается более частым тепловым ударам, вызывающим усиленный износ режущей кромки. Следовательно, можно сделать вывод о целесообразности при­менения твердых, но хрупких инструментов, например эльборовых, керамических резцов при чистовом точении на больших перехо­дах, когда требуется обеспечить точные размеры обрабатываемой детали.

При работе быстрорежущим резцом происходит обратное явление, так как перерывы в работе способствуют охлаждению и улучшению структуры резца. Кроме того, повышение стойкости быстрорежущих резцов при работе с перерывами объясняют и тем, что
в этом случае на поверхности инструмента создаются адсор­бированные пленки окислов, в результате чего уменьшается трение
и тем самым снижается износ инструмента.

Повышенный износ ре­жущего инструмента при вибрационном резании, очевидно, вызван динами­ческим эффектом врезания резца, происходящего не­прерывно при колебатель­ном процессе. При этом срывается защитная окисная пленка, что способст­вует усилению износа, хотя при вибрационном резании снижается температура резания, усадка стружки и мощность, затрачиваемая на резание.

Часто износ режущего инструмента происходит неравномерно вдоль режущей кромки. Наблюдается усиленный износ у вершины резца, а также на участке контакта режущей кромки с обрабатываемой поверхностью. Усиленный износ у вершины резца вызван более тяжелыми условиями работы (завал или повышенный радиус закругления режущей кромки, неблагоприятные угол резания и задний угол, повышенная температура). Усиленный износ режущей кромки на участке контакта с обрабатываемой поверхностью объясняется наклепом обрабатываемой поверхности вследствие предшествующей обработки или наличием твердой корки; ширина зоны усиленного износа может характеризо­вать в известной мере толщину наклепанного слоя.

Большой интерес представляют явления, связанные с пластической деформацией самого инструмента, которые наблюдаются при обработке вязких металлов с большими скоростями резания. В этих случаях развивается высокая температура резания, резко изменяется соотношение твердости стружки и инструмента, и последний теряет формоустойчивость.

При резании инструментами из твердых сплавов с очень высокими силовой и тепловой нагрузками износу инструмента иногда предшествует пластическое деформирование вершины режущего клина. Формо­изменение клина заключается
в опускании части передней поверхности, примыкающей к главному лезвию, на расстояние h ₁ и выпучивании задней поверхности с высотой h ₂ (рис. 100). В результате искривления задней поверхности на ней образуется нулевой или отрицательный задний угол, способствующий интенсивному изнашиванию инструмента.

Изнашивание твердосплавного инструмента может сопровождаться осыпанием и выкрашиванием вершины режущего клина. Под осыпанием понимают частичное или сплошное разрушение лезвий размером не выше 0,3 мм. Под выкрашиванием понимают частичное или сплошное разрушение лезвий и поверхностей инстру­мента разме­ром от 0,3 до 1 мм. Более крупные повреждения лезвий (сколы) отно­сятся к контактному разрушению режущей части инструмента.

На практике большое значение имеет установление целесооб­разного критерия затупления режущего инструмента. Этот критерий должен быть определен с учетом требуемой точности и шероховатости обработанной поверхности, рода инструмента, его геометрии
и материала.

Было бы неправильно доводить затупление инструмента до полного разрушения режущих кромок. Это не оправды­вается ни экономическими, ни эксплуатационными соображе­ниями. Устанавливается определенный условный критерий затупления, по достижении которого инструмент перетачивается.

Толщина срезаемого слоя и скорость резания оказывают одинаковое влияние на вид износа. При малых толщинах срезаемого слоя (менее 0,1 мм) и низких скоростях резания преимущественному изнашиванию подвергается задняя поверхность. По мере увеличения толщины сре­заемого слоя и скорости резания помимо задней начинает изнашиваться и передняя поверхность, и чем больше а и b, тем передняя поверхность изнашивается больше, а задняя меньше. Например, при точении без СОЖ детали из стали 45 резцом из твердого сплава Т15К6 в диапазоне скоростей резания 50…210 м/мин при подаче 0,08 мм/об. доля износа задней поверхности составляет 60…80 %, а доля износа передней поверхности – 10…15 % в общем износе резца. С увеличением подачи до 0,46 мм/об. доля износа передней поверхности увеличивается до 60…90 %, а задней поверхности – уменьшается до 5…7 %. При подаче 0,24 мм/об. и диапазоне скоростей резания 80…150 м/мин доли износа передней и задней поверхностей прибли­зительно оди­наковы.

Меньшее влияние на вид износа оказывают передний угол инстру­мента и применяемая СОЖ. При увеличении переднего угла толщины срезаемого слоя, скорости резания и исполь­зовании СОЖ, обладающей высокой теплопроводностью, первый вид износа переходит во второй.

Мерой изношенности (затупления) инструмента могут служить линейный
и массовый износы. Принимая за показатель линейный износ, об изношенности задней поверхности судят по максимальной ширине площадки износа h, передней поверхности – по максимальной глу­бине лунки износа h _л. При чистовой размерной обработке изношен­ность инструмента удобно оценивать линейным размерным радиальным износом h_r (рис. 101), характеризующим смещение вершины или переходного лезвия инструмента в направ­лении, перпендикулярном к обработанной поверхности, в результате износа его задних поверхностей. Величина размерного износа определяет увеличение или умень­шение размера обрабатываемой детали по мере изнашивания инструмента.

Если за меру изношенности инструмента принят линейный износ, то при этом измеряется только его максимальная величина
и не учитывается ни местоположение максимального износа на лезвии инструмента, ни то, что во время его работы в результате местного выкрашивания инструментального материала максимальный износ может перемещаться вдоль лезвия. Максимальный линейный износ может быть достаточно надежной характеристикой при разработке промышленных норм допускаемых износов и норм расхода инструмента на переточки. Для исследования же физической природы изнашивания инструментов более объективной характеристикой является массовый износ – масса изношенной части инструмента, в мг, которой пропорциональна работа сил трения, затрачиваемая на превращение инструментального материала в продукты изнашивания.

При исследовании влияния различных факторов процесса резания на интенсивность изнашивания инструмента полезно пользоваться так называемым относительным износом. Под относительным износом понимают отношение линейного, размерного или массового износа к какому-либо показателю, характеризующему производительность инструмента до момента его затупления. Такими показателями могут быть путь, пройденный инструментом, площадь обработанной поверх­ности, объем срезанного слоя и т.п. Наиболее часто абсолютный износ относят к пути L, пройденному инструментом, при этом отно­сительный линейный износ D определяют по формуле

D = h / L.

Путь резания равен L = V · T,м. При точении путь резания,
в м, можно подсчитать по формуле

L = ,

где – длина обработанной поверхности;

D – наружный диаметр заготовки.

4.2.2. Физическая сущность
и виды изнашивания инструментов

Несмотря на то, что износ инструмента является важнейшим показа­телем его работоспособности, физическая природа изнашивания изу­чена еще очень плохо вследствие исключительной сложности контакт­ных процессов, протекающих на передней и задней поверхностях инструмента. Существует ряд гипотез, объясняющих физическую природу изнашивания инструментов, работающих в различных условиях. По этим гипотезам основными причинами, приводящими
к изнашиванию контактных поверхностей инструмента, являются:
а) абразивное действие, оказываемое обрабатываемым материалом (абразивное изнашивание); б) адгезионное взаимодействие между инструментальным и обрабатываемым материалами (адгезионное изнашивание); в) диффузионное растворение инструментального материала в обрабатываемом (диффузионное изнашивание); г) химические процессы, происходящие на передней и задней поверхностях (окислительное изнашивание).

 

Абразивное изнашивание

Одним из видов износа режущего инструмента является абразивный износ, который в отдельных случаях может иметь основное зна­чение. Механизм абразивного износа состоит в том, что твердые включения обрабатываемого материала (Ni₃Тi; Ni₃(А1,Тi) и др.), внедряясь в контактные поверхности инструмента, царапают эти поверхности, действуя как микроскопические резцы. Наиболее сильно абразивный износ проявляется в том случае, когда твердость режущей части инструмента в процессе резания невелика.

При трении поверхности резания о задние поверхности,
а стружки – о переднюю поверхность инструмента твердые микрокомпоненты материала обрабатываемой детали царапают материал инструмента, постоянно разрушая его. Интенсивность абразивного изнашивания возрастает при увеличении содержания в сталях цементита (НВ 800) и сложных карбидов, в чугунах – цементита и фосфидов, в силуминах – карбида кремния, в жаропрочных сплавах – интерметаллидов, которые сохраняют высокую твердость даже при высоких температурах резания. Контактные поверхности инструмента могут также царапать частицы периодически разрушающегося нароста, твердость которого значительно превосходит твердость материала обрабатываемой детали. Особенно сильно изнашивается задняя поверх­ность, на которой появляются углубления в виде канавок, перпенди­кулярные к главному лезвию.

Абразивное изнашивание усиливается при резании в химически активных средах (например, в четыреххлористом углероде), ослабляющих сопротивляемость контактных поверхностей инструмента царапанью. Абразивное действие обрабатываемого материала становится тем сильнее, чем меньше отношение твердостей инструментального Н _и и обрабатываемого Н _м материалов. Вследствие этого абразивное изнашивание заметнее проявляется при работе инструментами из углеродистых и быстрорежущих сталей и в меньшей степени – при работе твердосплавными инструментами, твердость которых значи­тельно выше.

 

Термический износ

 

Этому износу больше всего подвергаются быстрорежущие инструменты. При температуре в зоне резания выше температуры красно­стойкости происходит термический износ.

 

Адгезионное изнашивание

 

В процессе резания между инструментом и деталью имеются условия для образования адгезионного схватывания (адгезия – схватывание, слипание, сваривание). Для этого необходимо, чтобы поверхности были ювенильно чистыми и были приведе­ны в очень плотный контакт, т.е. чтобы начали действовать межмоле­кулярные силы. Таким образом, силы адгезии возникают как резуль­тат межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами.

Контактные поверхности стружки и передней грани резца не являются идеально гладкими, поэтому со­прикосновение между ними происходит лишь по выступающим участкам. Это вызывает огромные удельные нагрузки, разрушаю­щие защитные окисные пленки,
в результате чего происходит «холодное сваривание» металла стружки и инструмента в местах истинного контакта. Это «сваривание» более вероятно при относи­тельно высокой температуре, способствующей местной пластиче­ской деформации и разрушению защитной пленки. При непре­рывном движении стружки по резцу в местах контакта возникают напряжения среза, и в результате на передней поверхности инстру­мента вырываются мельчайшие частицы металла. Возможность отрыва мягким обрабатываемым материалом частиц более твер­дого инструмента объясняют неоднородностью инструментального материала, имеющего на своей поверхности размягченные микро­участки, и изменением соотношения твердостей обрабатывае­мого и инструментального материалов в процессе резания при различных температурах резания.

Можно предположить, что подобный адгезионный износ происходит при обработке не только пластичных металлов, но и хрупких, например закаленной стали и чугуна. Иначе трудно объяснить износ теплостойкого твердосплавного инструмента только абразивным истиранием, поскольку закаленная сталь и цементит чугуна усту­пают по твердости карбидам вольфрама, титана или тантала, составляющим металлокерамические твердые сплавы.

Более глубокое исследование этого механизма изнашивания стало возможным благодаря применению микрорентгеноспектрального анализа и электроноскопии. На основании исследований, проведенных с рядом чистых металлов, установлено, что схватывание металлов, т.е. появление прочных временных соединений между соприкасающимися поверхностями, образуется в твердом состоянии
в результате совместного пластического деформирования химически чистых находящихся в контакте поверхностей и может быть получено как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах. Для наступления схватывания недоста­точно только сближения поверхностей на расстояние порядка пара­метра кристаллической решетки, а необходимо превышение определен­ного для каждой пары материалов энергетического порога. Схватыва­ние есть бездиффузионный процесс, близкий к мартенситному или полиморфному превращению. Необходимое для схватывания энерге­тическое состояние может достигаться как за счет повышения темпера­туры, так и зa cчeт coвмеcтнoго плacтичecкo деформирования. Способ­ность материалов к адгезионному взаимодействию резко повышается при температурах, близких к температуре рекристаллизации. При контакте одноименных материалов схватывание начинается при тем­пературах, равных (0,3…0,4) Т _пл (температуры плавления), а при контакте разноименных – при температурах, равных (0,35…0,5) Т _пл. При очень высоких темпе­ратурах термически активируемая адгезия по природе отличается от адгезии при низких температурах и характеризуется способностью контактируемых материалов к спеканию. Прочность адгезионных связей оценивают коэффициентом адгезии, представляющим собой отношение силы, необходимой для разделения контактируемых поверх­ностей, к величине действующей нагрузки.

В процессе резания между инструментом и деталью имеются усло­вия для образования адгезионного схватывания. Фактическая площадь контакта между контактными поверхностями инструмента, стружкой и поверхностью резания составляет незначительную часть от номиналь­ной площади контакта. Вследствие высоких контактных давлений в точках соприкосновения выступов фактических площадок контакта инструмента, стружки и поверхности резания развиваются локальные пластические деформации с высокой температурой. В результате этого происходит соприкосновение химически чистых участков обрабатывае­мого и инструментальных материалов и их взаимное схватывание с образованием очагов мостиков схватывания. При перемещении инструмента по детали происходит непрерывное разрушение и возоб­новление мостиков схватывания. Срез в зоне контакта двух металлических поверхностей может происходить различным образом. Если прочность «сваривания» меньше прочности самих металлов, то срез осуществляется по поверхности самого соединения; при этом количество металла, вырванного с обеих поверхностей, т.е. износ, незначительно. Когда соединение прочнее обоих металлов, срез, как правило, происходит в среде одного из них, менее проч­ного. Инструментальные материалы обычно тверже обрабатывае­мого и, очевидно, срез должен располагаться в толще обрабатываемого материала. Однако при этом возможны вырывы и частиц инструментального материала.

По мнению Н.Н. Зорева, пepиoдичecки пoвтopяющeecя cxвa­ты­вaниe и разрушение адгезионных соединений вызывает циклическое нагружение поверхностного слоя инструментального материала.

По сравнению с обрабатываемым материалом материал режущей части инструмента является более хрупким, и указанный характер нагружения приводит к его локальному разрушению. Вырванные
с контактных поверхностей инструмента объемы инструментального материала уносятся стружкой и передней поверхностью, а на его контактных поверхностях образуются борозды и кратеры. Масса инструментального материала, удаляемого с кон­тактных поверхностей инструмента на единицу пути резания, зависит от прочности и твердости обрабатываемого материала. При прочих равных условиях, чем меньше отношение тем сильнее изнашивание инструмента.

Чем выше циклическая прочность
и ниже хрупкость инструменталь­ного материала, тем выше его износостойкость при равной теплостойко­сти. Поэтому
в зоне невысоких температур резания, когда теплостой­кость инструментального материала не имеет решающего значения, из­носостойкость твердых сплавов может быть ниже, чем износостойкость быстрорежущих сталей, имеющих более высокую прочность и луч­ше сопротивляю­щихся циклическим нагрузкам (рис. 102).

По интенсивности протекания адгезионного изнашивания
инстру­ментальные материалы различно реагируют на изменение температуры резания. Относительный износ инструментов из быстрорежущих ста­лей, хорошо сопротивляющихся циклическим контактным нагрузкам, до температур 500 °С остается почти постоянным или уменьшается при увеличении температуры резания. При
нагреве твердых сплавов их хрупкость уменьшается, что способст­вует повышению сопротивляе­мости контактным нагрузкам. Поэтому в интервале температур 500…750 °С повышение температуры
резания уменьшает относитель­ный износ твердосплавного инст­румента.

Адгезионный износ инструмента можно уменьшить, применяя жидкости, создающие на контактных поверхностях защитные пленки, уменьшающие силы адгезии и препятствующие схватыванию обрабаты­ваемого и инструментального материалов. Например, применение химически активных жидкостей, образующих пленки химических соединений, при работе твердосплавными резцами в зоне малых и средних скоростей резания повышает время работы резцов до переточки. Этого нельзя сказать об инструментах из быстрорежущих сталей, так как химически активные жидкости, ослабляя адгезионные явления, одновременно способствуют усилению химического изнашивания кон­тактных поверхностей, связанного с химическим растворением мартенситной основы стали.

Диффузионное изнашивание

Исследования, проведенные проф. Т.Н. Лоладзе, Н.Ф. Казаковым, Н.В. Талантовым и другими исследователями, показали, что интенсивность износа твердосплавного инструмента может происходить из-за вза­имной диффузии инструментального и обрабатываемого материалов, т.е. при высоких температурах (более 800 °С) происходит диффузион­ное растворение инструментального материала
в обрабатываемом. Резкое увеличение абсолютного и относительного износов при температурах резания выше 800…850 °С позволило проф. Т.Н. Лоладзе выдвинуть гипотезу существования диффузионного изнашивания. По этой гипотезе изнашивание инстру­мента при температурах выше 800…850 °С происходит в результате диффу­зионного растворения инструментального материала в обрабатываемом. Исследования диффузии в твердых телах показали, что в металлах способны диффундировать те элементы, которые в них раст­воряются.

Следует иметь в виду, что диффузионный износ зависит
не толь­ко от непосредственного переноса атомов инструментального материала в деталь и стружку. При диффузионном износе происходит также разрушение контактных слоев инструмента, ослабленных диф­фузионными процессами, происходящими в этих слоях (включая фазовые превращения, разупрочнение и пр.). Следовательно, имеют место два процесса (диффузионное растворение и разрушение ослабленной диффузионными процессами поверхности), которые конкури­руют в диффузионном износе.

Надо отметить, что интенсивность протекания диффузионных процессов заметно уменьшается при при­менении инструментальных материалов, химически инертных по от­ношению к обрабатываемому металлу, и увеличивается с ростом тем­пературы в зоне резания (рис. 103). Возможность протекания диффузионного процесса между инструментом и стружкой и деталью основывается на параболическом законе роста диффузионного слоя, по которому в начальный период диффузии скорость растворения чрезвычайно велика, после чего
с течением времени эта скорость резко уменьшается. В процессе резания с контактными поверхностями инструмента вступают в соприкосновение все новые участки стружки и поверхности резания, в результате чего постоянно поддерживается весьма вы­сокая скорость растворения, свойственная начальному периоду диф­фузии.

Различные компоненты твердого сплава диффундируют в обра­батываемый материал с различной скоростью. Наиболее быстро диф­фундирует углерод, медленнее – вольфрам, кобальт и титан. В резуль­тате неодинаковой скорости растворения между инструментом, струж­кой и поверхностью резания образуется три диффузионных слоя. Наиболее удаленным от контактных поверхностей является науглероженный слой; под ним лежит слой белого цвета, представляющий собой твердый раствор углерода и вольфрама или углерода, вольфрама и титана в g-железе. Третий слой является интерметал­лидом в виде железовольфрамового или более сложного карбида. Структурные превращения в этом слое, лежащем на границе раздела твердого сплава и обрабатываемого материала, происходят в результате обеднения контактных поверхностей инструмента угле­родом и диффузии в твердый сплав железа из обрабатываемого ма­териала.

По сравнению с основным массивом твердого сплава третий слой является более хрупким и разупрочненным, что приводит к срезу с контактных поверхностей инструмента слоев инструментального материала движу­щимися стружкой и поверхностью резания. Таким образом, в общем случае изнашивание твердосплавного инструмента происходит вслед­ствие собственно диффузионного растворения
и диспергирования разупрочненных контактных поверхностей.

При резании инструментами из однокарбидных сплавов в изнаши­вании в той или иной степени участвуют оба указанных процесса. Изнашивание же инструментов из двухкарбидных сплавов происходит несколько иначе. Титановольфрамовые карбиды в обрабатывае­мом материале растворяются значительно медленнее, чем вольфрамо­вые. Поэтому на контактных поверхностях образуются выступы не полностью растворившихся зерен титановольфрамовых карбидов. Контактные слои стружки и поверхности резания заполняют обраба­тываемым материалом впадины между зернами, создавая очаги
застоя, что увеличивает время диффузии и замедляет диффузионное растворе­ние. Поэтому при высоких скоростях (температурах) резания двух­карбидные сплавы имеют большую износостойкость, нежели однокар­бидные. При температурах же резания, при которых диффузионное растворение еще не происходит (q < 800 °С), износостойкость одно­карбидных твердых сплавов мало отличается от износостойкости двух­карбидных, а иногда и превосходит ее. Интенсивность протекания диффузионных процессов заметно уменьшается при применении инструментальных материалов, химически инертных по отношению к обрабатываемому материалу.

 

Окислительное изнашивание

 

Гипотеза окислительного изнашивания основывается на известном факте коррозии твердых сплавов при нагреве их в среде кислорода и отсутствии изменения свойств поверхностных слоев сплавов при нагреве их в инертных газах (аргон, азот, гелий). Окисление может служить как защитой от интенсивного износа, так и причиной интенсив­ного износа; все зависит от того, какие образуются окислы.
В ряде случаев окислы приводят к довольно сильному повышению стойкости инструмента, о чем свидетельствуют, например, данные проф. Н. Орitz при обработке конструкционной стали (t = 2 мм;
s = 0,2 мм/об.; V = 120 м/мин) (табл. 14).

 

Таблица 14

Влияние различных сред на стойкость инструмента

Среда	Стойкость, мин	Повышение или понижение
Воздух		–
Азот		повышение в 4 раза
Кислород		снижение в 5,5 раз
Аргон		повышение в 1,5 раза
Углекислый газ		снижение в 2 раза

 

Применение аргона, гелия, азота существенно уменьшает интен­сивность изнашивания инструмента. Наиболее сильными защитными свойствами обладает гелий, затем аргон и азот. Однако, как показали опыты В.А. Жилина, влияние газовой среды заметно только при температурах резания, не превышающих 900 °С. При более высоких температурах окислительные и защитные свойства газовых сред весьма мало влияет на интенсивность изнашивания.

Согласно гипотезе, при температурах резания 700…800 °С кислород воздуха вступает в химическую реакцию с кобальтовой фазой твердого сплава и карбидами вольфрама и титана, причем наиболее сильно окисляется кобальт. Вследствие значительной пористости металлокерамических твердых сплавов окислительным процессам подвергаются не только сами контактные поверхности инструмента, но и зерна твердого сплава, лежащие на некоторой глу­бине от этих поверхностей. Продуктами окисления кобальтовой фазы являются окислы Со₃О₄ и СоО и карбидов WO₃ и TiO₂. Твердость продуктов окисления в 40…60 раз ниже твердости твердых сплавов. В результате значительного размягчения кобальтовой фазы нару­шается монолитность сплава и ослабляются связи между зернами карбидов вольфрама и титана и цементирующей связкой. Это создает благоприятные условия для выравнивания карбидных зерен силами трения, действующими на передней и задней поверхностях инстру­мента, и изнашивания этих поверхностей.

Склонность твердых сплавов к окислению определяется их химическим составом. Однокарбидные сплавы окисляются сильнее, нежели двухкарбидные. С увеличением содержания кобальта в твердом сплаве интенсивность и скорость окисления возрастают. Развитию коррози­онных явлений в значительной степени препятствует применение при резании инертных газовых сред. Применение аргона, гелия, азота существенно уменьшает интенсивность изнашивания инструмента. Наиболее сильными защитными свойствами обладает гелий, затем аргон и азот. Однако, как показали опыты, влияние
газовой среды заметно только при температурах резания, не превы­шающих 900 °С. При более высоких температурах окислительные
и защитные свойства газовых сред весьма мало влияют на интен­сивность изнашивания, что свидетельствует о том, что в суммарном механизме изнашивания инструмента окислительные процессы
имеют существен­ное значение только в интервале температур 700…900 °С.

Оценивая достоверность различных гипотез изнашивания инструментов, сле­дует отметить, что только абразивное и адгезионное изнашивание полу­чило экспериментальное подтверждение. Прямых экспериментальных доказательств, подтверждающих существование диффузионного и окислительного изнашивания, нет.

Хрупкий износ

Хрупкому износу подвергаются твердосплавные инструменты, алмазы, минералокерамика, керметы. Вследствие неравномерного строения, твердости, зернистости, вследствие вибр