Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПОСЛЕ ШЛИФОВАНИЯ ИМПРЕГНИРОВАННЫМ И СТАНДАРТНЫМ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Митрофанов А.П. 1 Боровкова Е.С. 1 Мухина К.А. 1
1 Волжский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»
Проведены исследования поверхности полученной после шлифования импрегнированным и абразивным инструментом с помощью растрового двухлучевого электронного микроскопа Versa 3D LoVac. Элементный анализ проводили на металлических образцах из стали 12Х18Н9Т где обследовалось область площадью 7000 нм2 и небольшие локальные участки. В локальных участках контактного взаимодействия, наблюдается повышенное содержание не металлов, так углерода увеличивается в 6 раза, кислорода в 1,7 раза, и в 15 раза больше присутствия азота. В зоне непосредственного контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом, происходит интенсификация химического взаимодействия продуктов импрегнатора с металлом с образованием химических соединений. Результаты исследования говорят о локальном влиянии импрегнатора на процесс контактного взаимодействия. Данное обстоятельство имеет положительный характер, т.к. химический состав самой поверхности не изменяется, а всё влияние импрегнатора проявляется непосредственно в зоне контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом.
элементный анализ поверхности
импрегнированный абразивный инструмент
контактное взаимодействие
1.Баранов, А.В. Спектральный элементный анализ стальных поверхностей трения / А.В. Баранов, В.А. Вагнер, О.В. Быкова // Ползуновский альманах. – 2008. - №3. – С. 35-36
2.Митрофанов А.П., Носенко В.А., Бутов Г.М. Состав для пропитки абразивного инструмента // Патент России №2440886. – 2012. Бюл. №3.
3.Никитин А.В. Шлифование труднообрабатываемых материалов импрегнированными кругами как способ повышения их режущих свойств / А.В. Никитин // Инструменты и технологии. – 2010. - № 2. – С. 52-58.
4.Носенко В.А., Повышение эффективности процесса шлифования с использованием импрегнирования абразивного инструмента / В. А. Носенко, А. П. Митрофанов // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2012. - № 11. – С. 9-14.
5.Юсупов, Г. Х. Влияние физико-химических явлений на взаимосвязь абразивных зерен с обрабатываемым материалом в процессе резания / Г. Х. Юсупов, Колев С. А. // Интеллектуальные системы в производстве. – 2010. - № 1. – С. 206-209.

Важнейшим фактором обеспечения заданного качества поверхности при изготовлении детали и поддержания его на заданном уровне в процессе эксплуатации является внешняя среда, обладающая специальными физическими и химическими свойствами. В экстремальных условиях контактного взаимодействия внешняя среда вступает во взаимодействие с контактируемыми поверхностями, изменяя их первоначальное состояние [5].

Исследование взаимодействия внешней среды с контактируемыми поверхностями находиться на стыке несколько научных направлений, таких как трибология, механохимия и физика твердого тела. Влияние импрегнирования абразивного инструмента на физико-химические процессы в зоне резания является ярким примером действия внешней среды[3,4].

Описание процесса и методики импрегнирования абразивного инструмента представлено в работе [2].

Наиболее информативным методом оценки химического состояния поверхностного слоя является элементный анализ, который реализуется с помощью различных специальных приборов таких как, Оже-спектрометр, масс-спектрометр вторичных ионов и др.[1].

Методика эксперимента

Исследование химического состава и структуры поверхности обрабатываемого материалов проведены на основе последних мировых достижений в области физических методов контроля качества поверхности с использованием растрового двухлучевого электронного микроскопа Versa 3D LoVac.

Для анализа элементного состава поверхности на исследуемой поверхности выбирается область площадью 7000 нм2и небольшие локальные участки. Исследование проводят в условиях высокого вакуума, следовательно, физически адсорбированных атомов не останется, т.е. на поверхности будут присутствовать только соединения с сильной химической связью.

Для проведения исследований подготовлены образцы из стали 12Х18Н9Т размером 10×10×1 ммпрошлифованные импрегнированным и стандартным абразивным инструментом. При следующих режимах шлифования: глубина шлифования t (подача на ход стола) t = 0,01 мм, продольная подача Vs = 12 м/мин, величина снимаемого припуска составляла 0,2 мм.

Результаты и их обсуждение

222

Рис. 1. Спектральный анализ поверхности обработанной стандартным абразивным инструментом

Результаты исследования (рис. 1) поверхности прошлифованной стандартным абразивным инструментом представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав образца на поверхности

Элемент

Весовая доля, %

Атомная доля, %

Погрешность %

C

3,27

12,65

12,01

O

2,54

7,13

8,16

Al

0,16

0,28

33,67

Si

0,8

1,32

10,41

Ti

0,6

0,58

12,81

Cr

15,51

13,91

1,83

Mn

1,3

1,1

11,06

Fe

66,54

55,44

1,88

Ni

9,25

7,33

3,98

Исследование образца при шлифовании импрегнированного абразивного инструмента изучали поверхность большой площади 7000 нм2 (рис. 2) и локальные участки (рис. 3) представляющие собой следы контактного взаимодействия абразивного зерна или связки с обрабатываемой поверхностью.

фотография 2

Рис. 2. Исследуемый участок поверхности обработанной импрегнированным абразивным инструментом

При осмотре обработанной поверхности обнаружен участок контакта абразивного зерна, выраженный углубленной площадкой (рис. 3). С целью сравнительного анализа химического состава поверхности данного участка (2) с более масштабной областью контактного взаимодействия (1), проведены исследования элементного состава и приведены количественные значения данного сравнения (табл. 2).

фотография 1

Рис. 3. Исследуемый локальный участок поверхности

Таблица 2

Элементный состав исследуемых поверхностей

Элемент

Весовая доля, %

Атомная доля, %

Погрешность %

1

2

1

2

1

2

C

2,91

18,9

11,24

45,99

12,52

9,24

N

0,08

1,25

0,25

2,6

99

23,5

O

3,07

4,95

8,91

9,05

8,26

9,21

Na

-

2,35

-

2,99

-

11,33

Mg

-

0,25

-

0,3

-

17,34

Al

0,18

0,26

0,32

0,29

28,71

15,07

Si

0,56

0,94

0,92

0,97

11,48

8,48

S

-

0,07

-

0,07

-

33,25

Сl

0,07

0,17

0,09

0,14

58,02

16,12

K

-

0,33

-

0,25

-

12,17

Ca

0,19

0,39

0,22

0,28

24,93

13,4

Ti

0,96

0,52

0,93

0,32

7,88

12

Cr

15,41

12,13

13,77

6,82

1,85

1,8

Mn

1,4

1,25

1,18

0,67

9,71

8,72

Fe

66,18

49,79

55,04

26,06

1,89

1,78

Ni

9

6,44

7,12

3,21

3,99

3,76

фотография 2

Рис. 4. Исследуемый участок поверхности движения абразивного зерна

В ходе проведения исследований обнаружен ярко выраженный след движения абразивного зерна с присутствием в анализируемой зоне микро скола. Элементный анализ данной зоны позволит оценить химию процесса контактного взаимодействия и ее динамику. Для этого выбраны три исследуемой области: область предполагаемого зерна; контактная зона до скола; контактная область после скола (рис. 4). Результаты анализа представлены в табл. 3.

Таблица 3

Элемент

Весовая доля, %

Атомная доля, %

Погрешность %

1

2

3

1

2

3

1

2

3

C

5,33

9,01

9,87

13,12

29,47

30,7

11,6

10,9

10,12

N

0,48

0,52

0,44

1,01

1,45

1,18

22,88

46,81

99

O

17,09

2,35

2,71

31,57

5,78

6,32

7,75

9,15

9,11

Na

-

-

1,44

-

-

2,33

-

-

13,57

Mg

-

-

0,46

-

-

0,7

-

-

15,29

Al

22,6

0,12

0,48

24,76

0,18

0,66

6,6

34,23

13,46

Si

0,31

0,49

0,76

0,33

0,68

1,01

13,29

11,41

10,12

S

0.09

0,09

0,21

0,08

0,11

0,24

30,32

33,7

15,5

Сl

0,12

0,09

0,18

0,1

0.1

0,19

21,46

38,56

18,41

K

0,15

0,2

0,25

0,11

0,2

0,24

19,98

17,42

15,38

Ca

0,31

0,57

0,81

0,23

0,56

0,76

16,52

11,81

7,96

Ti

0,35

0,53

0,61

0,21

0,44

0,48

15,46

12,94

11,49

Cr

10,56

14,93

14,27

6

11,28

10,25

2,01

1,83

1,83

Mn

1,16

1,48

1,51

0,62

1,06

1,03

11,1

8,77

7,99

Fe

37,88

61,95

58,68

20,05

43,57

39,24

1,89

1,87

1,86

Ni

3,58

7,67

7,32

1,8

5,13

4,66

5,34

3,98

3,94

Результаты анализа подтверждают (табл.3), предположение о нахождение в зоне контакта микро скола абразивного зерна, в виду высоких наблюдаемых значений алюминия и кислорода. На поверхности зерна сохраняется общая тенденция высокого содержание не металлов и пониженное значение металлов, т.е. зерно покрыто химическими соединениями, что говорит об отсутствии чистого адгезионного контакта зерна с обрабатываемым материалом. Таким образом, на лицо проявление экранирующего действия импрегнатора на контактные процессы.

В локальных участках контактного взаимодействия, наблюдается повышенное содержание не металлов, так углерода увеличивается в 6 раза, кислорода в 1,7 раза, и в 15 раза больше присутствия азота. При этом процентное содержание металлов заметно снижается. Анализируя атомные и весовые доли, можно сделать заключение о непосредственном химическом взаимодействии металлов входящих в состав стали, с веществами, образующимися при термическом разложении импрегнатора. Так, атомная доля металлов в среднем снижается в 2 раза, по сравнению с весовой долей. Тогда как у не металлов происходит все с точностью наоборот. Также в локальных участках обнаружено не большое количество атомов кальция, калия и магния, что указывает о контактном взаимодействии со связкой инструмента.

Таким образом, в локальных участках поверхности в зоне непосредственного контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом, происходит интенсификация химического взаимодействия продуктов импрегнатора с металлом с образованием химических соединений.

Сопоставляя данные, полученные при анализе области до и после скола зерна, можно сделать следующие выводы. Количественный и качественный состав металлов входящих в структуру стали существенно не меняется. Аналогично и касательно элементов углерода, кислорода и азота. В третьей области появляются атомы натрия и магния, при повышенных значениях атомов калия, кальция и кремния, что может характеризовать разрушение связки после скола зерна. Отмечается повышенное содержание атомов хлора, которые попадают в данную область возможно в результате разрыва плотного контакта после скалывания зерна.

Полученные значения химического анализа зоны контактного взаимодействия подтверждают ранее сделанные выводы при сопоставлении с результатами, которые наблюдаются при оценке более масштабных областей.

Подводя итоги полученных результатов элементного анализа поверхности обработанной импрегнированным абразивным инструментом, пропитанным модернизированным составом, можно сделать заключение о локальном влиянии импрегнатора на процесс контактного взаимодействие. Несомненно, данное обстоятельство имеет положительный характер, т.к. химический состав самой поверхности не изменяется, а все влияние импрегнатора проявляется непосредственно в зоне контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом.

Применение электронного микроскопа Versa 3D LoVac позволило подтвердить влияние импрегнатора на процесс резания. Химический состав обработанной поверхности значительно модифицируется, что влечет за собой изменение механизмов контактного взаимодействия.

Рецензенты:

Санинский В.А., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Технология и оборудование машиностроительных производств», Волжский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», г. Волжский;

Пушкарев О.И., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Общетехнические дисциплины», Волжский институт строительства и технологий (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», г. Волжский.


Библиографическая ссылка

Митрофанов А.П., Боровкова Е.С., Мухина К.А. ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПОСЛЕ ШЛИФОВАНИЯ ИМПРЕГНИРОВАННЫМ И СТАНДАРТНЫМ АБРАЗИВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18931 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074