CC BY
12
УДК 621.922
Влияние химического состава шлифуемой стали на гранулометрический состав стружки
Д. В. Ардашев1 , А. А. Дьяконов, Б. Ф. Уразбахтин
Введение
Большой интерес в области исследования стружкообразования при шлифовании представляет изучение шлама, собранного после обработки различных марок сталей. Современное аппаратное и программное обеспечение позволяет установить качественные и количественные взаимосвязи между геометрическими характеристиками шлама и технологическими факторами [1].
В настоящей работе поставлена задача исследовать влияние химического состава шлифуемых марок сталей на результаты фотометрического анализа стружек после шлифования. Полученный при помощи электронного сканирующего микроскопа ^М 6460ЪУ ^ЕОЪ, США) фотоматериал исследовался визуально, отдельные стружки подвергались геометрическим измерениям [1]. Поскольку наиболее явной стружкой, позволяющей выполнить точные геометрические исследования, является шарообразная стружка — гло-булическая, то в настоящей статье анализу подвергались стружки такой формы.
Исследование глобулических стружек
В целях измерения геометрических особенностей стружек анализу были подвергнуты образцы шлама различных марок сталей (по 10 фотоснимков на каждый образец). В результате был получен массив данных, характеризующих размеры и количество глобули-ческих стружек на 1 мм2 снимка (поверхностная плотность).
На рис. 1 и 2 приведены диаграммы среднего диаметра и поверхностной плотности глобул для пяти исследуемых марок сталей. Если принять шлам после шлифования стали 45 за исходный, то обращает на себя внимание тот факт, что с увеличением количества легирующих элементов в шлифуемом материале
в значительной степени уменьшается количество глобулических стружек и увеличивается их диаметр.
Появление в обрабатываемом материале хрома резко (более чем в 3 раза) увеличивает диаметр глобул, при этом их количество уменьшается примерно в 6 раз; добавление никеля в таком же процентном содержании приводит к еще большему увеличению диаметра глобул (примерно в 3,5 раза) и уменьшению их количества (более чем в 12 раз);
60 г
о
50 -
40 -
а
з £
30 -
20 -
10 -
45
45Х 40 ХН Марка стали
38ХГН 12ХН2А
Рис. 1. Средний диаметр глобулических стружек после шлифования разных марок сталей
1140
3 120
а100
к
# 80
60
40
20
£
<8 £
45
45Х 40ХН Марка стали
38ХГН 12ХН2А
1 © Д. В. Ардашев, 2011.
Рис. 2. Среднее количество глобулических стружек после шлифования сталей разных марок
0
0
&$&%(%%*&$&$)&&&%$%$*&)&
МЕТ Ш М БРАЩКА
добавление в лигатуру стали марганца приводит к увеличению среднего диаметра глобулы в 4 раза, при этом их количество уменьшается примерно в 24 раза; появление 3 % никеля с одновременным резким уменьшением количества углерода в стали (до 1,2 %) увеличивает средний диаметр глобул в 5,05,5 раз, их количество уменьшается примерно в 60 раз.
Статистические сведения, приведенные выше, показали существенное различие в гранулометрическом составе стружки, полученной после шлифования сталей разного химического состава. Попытаемся установить влияние химических элементов на морфологию стружки после шлифования.
Итак, количественные характеристики — средний диаметр глобул d и их количество п — обратно пропорциональны друг другу (рис. 3).
Следовательно, сложнолегированные стали склонны в меньшей степени к образованию сферических стружек. В предыдущей работе была высказана гипотеза о формировании глобулических стружек: в зоне контакта отдельных абразивных зерен с обрабатываемым материалом температура достигает температуры плавления, в результате чего срезаемая этим зерном единичная стружка расплавляется и кристаллизуется в сферу [1]. Поскольку обязательным условием образования сферических стружек является достижение контактной температуры между абразивным зерном и обрабатываемым материалом температуры плавления, значит, чем сложнее лигатура стали, тем выше должна быть температура плавления этой стали.
Большая часть известных методов расчета температуры плавления углеродистой и легированной стали Tп основана на полиномных выражениях, которые в обобщенном виде могут быть представлены следующим образом [2-5]:
Т = ^.ж = + ^И + а2И2]),
(1)
* 140
^ 120 о
^ б 100 о 5 3 3
а ^
£
3
80 60 40 20 О
45 40Х 40ХН 38ХГН 12ХН0А Марка стали
60 50 40 30 20 10 0
$
съ Ой £ К
к
к^
^■р
Су
Рис. 3. Средний диаметр (1) и количество глобул (2) для разных марок сталей
Изменение диаметра глобулы, а именно его увеличение на фоне уменьшения количества глобул, по-видимому, может быть объяснено различными поверхностными силами, действующими на поверхности расплавленной стружки в момент ее отвердевания. Численной характеристикой этих сил является коэффициент поверхностного натяжения.
В соответствии с рекомендациями С. И. По-пеля [6] коэффициент поверхностного натяжения О для любой стали может быть определен по формуле
О = Ож - 2000 Е
(2)
где Тп.ж — температура плавления чистого железа (как правило, рекомендуемая температура плавления — 1539 °С); а0 — коэффициент приведения температуры плавления чистого железа (вводится в случае принятия значения температуры плавления железа отличного от приведенного выше); а1 и а2 — коэффициенты значимости 1-го и 2-го порядка для соответствующего элемента И, содержащегося в стали данной марки; [И] — содержание элемента И в стали данной марки, %.
где Ож — поверхностное натяжение чистого железа, Дж/м2; ¥ь — параметр, характеризующий капиллярную активность легирующей добавки; хИ — атомная доля И-го компонента в сплаве.
Для марок стали, исследуемых в настоящей статье, по вышеприведенным формулам были рассчитаны температуры плавления и коэффициенты поверхностного натяжения. Результаты расчетов приведены в таблице.
Для большей наглядности представим полученный данные в графическом виде вместе с графиками изменения процентного содержания различных химических элементов в сталях (рис. 4, 5). Анализируя график изменения температуры плавления стали (рис. 4)
Температура плавления и коэффициент поверхностного натяжения расплава для разных сталей
Марка стали Температура плавления Тп, °С Коэффициент поверхностного натяжения О, Дж/м2
45 1494,24 1291,61
40Х 1496,91 1180,36
40ХН 1496,92 1163,73
38ХГН 1498,01 1127,97
12ХН3А 1507,06 946,79
1400
%<1300
^ ^ 1200
£ О
° ей
* 3 1100
ъ 5
£ §
^ о
СЬ со
О О
^ £
1000
900
800
1510
1505
1500
1495
1490
тт
а 3
a S
Ось
съ £ К
45 45Х 40 ХН 38ХГН 12ХН3А Марка стали
Рис. 4. Температура плавления (2) и коэффициент поверхностного натяжения (1) для различных сталей
можно заключить, что с увеличением количества легирующих элементов в шлифуемой стали растет температура ее плавления, что вполне объясняет значительное уменьшение количества глобулических стружек, которые являются результатом расплавления отдельных стружек. Интенсивность увеличения температуры плавления тем сильнее, чем больше в шлифуемой стали присутствует тугоплавких элементов, таких как никель и хром (рис. 5). Причем наличие хрома в шлифуемой стали в большей степени влияет на температуру плавления, а увеличение содержания никеля с 1 до 3 % приводит к повышению температуры плавления такой стали почти на 15 °С.
Также заметно влияние на температуру плавления содержание в стали углерода и марганца: для рассматриваемого ряда марок сталей постепенное уменьшение углерода и марганца приводит к увеличению температуры плавления. Таким образом, чем сложнее сталь по своему химического составу и чем меньше в ней углерода, тем выше ее температура плавления, следовательно, тем меньшее количество единичных зерен совершают работу по удалению единичной стружки с вы-
45 40Х 40 ХН 38ХГН 12ХН3А Марка стали
Рис. 5. Количество различных химических элементов в различных марках стали: 1 — Сг; 2 — Мп; 3 — N1; 4 — С
делением тепла, достаточного для расплавления стружки, и в меньшей степени вероятно образование сферических стружек при шлифовании такой стали.
Анализируя график изменения коэффициента поверхностного натяжения, можно заключить, что у сложнолегированных сталей данный коэффициент меньше, чем у слаболегированных. В данном случае тоже прослеживается однозначное обратное влияние химических элементов на коэффициент поверхностного натяжения: повышение процентного содержания хрома и никеля в значительной степени снижает этот коэффициент, увеличение содержание углерода и марганца увеличивает. Следовательно, чем сложнее сталь по своему химического составу, тем больший коэффициент поверхностного натяжения она имеет в расплавленном состоянии, что является необходимым условием для образования стружки сферической формы больших размеров.
Выводы
Процентное содержание легирующих элементов в шлифуемой стали оказывает решающее влияние на гранулометрический состав стружек, формирующихся после шлифования. Основными характеристиками формирования сферических стружек является температура плавления стали и коэффициент поверхностного натяжения расплава стали.
Увеличение содержания в шлифуемой стали хрома и никеля с одновременным уменьшением углерода приводит к увеличению температуры плавления стали и уменьшению коэффициента поверхностного натяжения в расплавленном виде, а следовательно, снижает вероятность образования сферических стружек. Однако при образовании такой стружки ее диаметр будет больше, чем после шлифования нелегированных сталей.
Литература
1. Ардашев Д. В. Фотометрический анализ стружки после шлифования различных сталей // Металлообработка. 2010. № 4. С. 6-12.
2. Kawakami К., Kitagava Т., Miyashita Y. et al. Fundamental research on solidification involved in continuous casting of steel // II Nippon Kokan Technical Report. Overseas. 1982. Vol. 36. P. 26-27.
3. Roeser W. R, Wensel H. T. Freezing Temperatures of High-Purity Iron and Some Steels // Journal of Rese-
ЙпЛООБШТКА
arch of the National Bureau of Standards. 1941. Vol. 26. P. 273-287.
4. Kagava A., Okamota T. Influence of alloying elements on temperature and composition for peritectic reaction in plain carbon steel // Material science and technology. 1986. Vol. 2, N 10. October. P. 997-1008.
5. Andrews K. W. Solidification ranges of steel // A note submitted to the alloy phase diagram date Committee of the Metals Society. 1981. P. 1-8.
6. Попель С. И. Теория металлургических процессов. М.: ВИНИТИ, 1971. 132 с.
