7.2.Физическая природа изнашивания инструментов

Основное качество инструментов – это способность сохранять режущую кромку острой в течение определенного периода резания. Затупление инструмента происходит в резании молекулярно-термических процессов и механического износа его граней и режущей кромки. Различают следующие виды износа:

1. Механическое изнашивание, царапанье инструмента твердыми частицами стружки и частицами твердого нароста, карбидными и другими включениями, имеющимися в обрабатываемом материале – это абразивно-механический износ. Под влиянием высокого давления и температур (на отдельных участках контакта достигается огромным значением). На трущихся поверхностях образуются тонкие слои окислов. Они очень влияют на износ. При прочном соединении с телом они предохраняют трущиеся поверхности от непосредственного контакта и уменьшают износ. При слабом соединении окислы срываются в виде аморфной пыли и увеличивается износ. Поэтому истирающую способность материала определяет не только его физико-механические свойства, но и структура материала. Истирающая способность углеродистых сталей возрастает с увеличением содержания углерода, а легированные стали – с увеличением карбидообразующих элементов – вольфрам, молибден, хром, ванадий, марганец. С увеличением твердости углеродистой стали, увеличивается ее истирающие способности. О легированных сталях так сказать нельзя. Но в основном с увеличением твердости увеличивается истирающая способность.

2. Вырывание частиц на переднюю поверхность инструмента вследствие схватывания контактных поверхностей стружки и инструмента – адгезионный износ. Контактные поверхности стружки и инструмента не идеально гладкие и соприкосновение между ними происходит по выступным участкам. Это вызывает огромную удельную нагрузку, которая разрушает защитные окисные пленки. Происходит холодная свариваемость металла стружки и инструмента в местах истинного контакта. Оно более вероятно при относительно высокой температуре, которая способствует местной пластической деформации и разрушает защитные пленки.

Стружка непрерывно движется по поверхности инструмента и в местах контакта возникает напряжение среза. В результате на передней поверхности инструмента вырываются мельчайшие частицы.

Возможность отрыва мягким обрабатываемым материалом частиц более твердого инструмента объясняется неоднородностью инструментального материала, который имеет на поверхности размягченные микроучастки.

Адгезионный износ происходит не только при обработке пластичного материала, позволяются твердые стали и чугуны. Иначе трудно объяснить износ красностойких твердых сплавов только механическим истиранием.

3. Растворение материала инструмента в обрабатываемом материале – диффузионный износ – происходит при относительно больших скоростях резания и температурах. Высокая температура, большие пластические деформации и схватывание контакта способствует возникновению диффузионного раствора металла и детали. При этом происходят диффузии отдельных элементов соединения (углерод, вольфрам, титан, кобальт) входящие в состав материала, а не молекул химического соединения.

Скорость растворения наиболее высока в начальный период диффузии. А т.к. время контакта при резании составляет сотые тысячи доли секунд, т.е. в контакт входит поверхностный слой металла. Это создает условие для периода усиленной начальной диффузии.

Опыты показывают, что заметная диффузия углерода и вольфрама из карбида вольфрама в железо начинается с температуры 950С, когда железо цементируется карбидом титана при температуре 1050С. Поэтому диффузионный износ возможен при обработке твердых сплавов инструментальной стали с высокой скоростью. Если учитывать химическую инертность минеральной керамики , то возможно минеральный инструмент не подтверждается диффузионному износу и может работать при высоких скоростях.

4. Окислительный износ. Гипотеза окислительного износа основывается на факте коррозии твердых сплавов при нагреве их в среде кислорода. При температуре 700-800С кислород воздуха вступает в химическую реакцию с кобальтовой фазой твердой стали, карбидом вольфрама и карбидом титана. Наиболее сильно окисляется кобальт.

Т.к. твердые сплавы имеют значительную пористость, то окислительным процессам подвергаются не только контактные поверхности инструмента, но и зерна твердых сплавов, лежащие на глубине.

Продукты окисления кобальтом: . Твердость окислов в 40-60 раз ниже твердости твердых сплавов. При этом размягчается кобальтовая фаза, нарушается монолитность твердого сплава. Ослабление связи между зернами и связкой приводит к тому, что зерна карбида вырываются. Тем самым изнашивается инструмент.

Сложный процесс, например, образование нароста, вносит изменения в процесс трения износа режущего инструмента. Износ инструмента сопровождается адгезией даже тогда, когда идет абразивно-механический износ истирания. Происходит вырывание частиц инструментального материала, который до 90% уносится со стружкой. Это используется при исследовании инструмента методом радиоактивных изотопов и будет рассмотрено в дальнейшем. При высокой температуре имеет место явление диффузии.