Износостойкость высокоэнтропийных инструментальных режущих материалов

Введение. Важную роль в обеспечении эффективности металлообработки и надежности инструментальных наладок играет лезвийный режущий инструмент (РИ). В настоящее время эксплуатационные свойства твердых сплавов (ТС) и быстрорежущих сталей (БРС) оцениваются на основе экспериментальных данных, а при разработке новых составов учитываются в основном металлургические, технологические и экономические факторы. В этой связи важно прогнозировать свойства существующих и вновь разрабатываемых составов инструментальных режущих материалов (ИРМ), основываясь на изучении комплекса термодинамических процессов в зоне трения при резании и получении аналитических зависимостей для оценки характеристик трения и износа.

На кафедре «Инструментальное производство» Донского государственного технического университета (ДГТУ) зависимость для оценки интенсивности изнашивания была получена исходя из уравнения баланса энтропии и предположения, что в износе инструмента при резании превалируют тепловые процессы [1–6]:

h С dT 1Y       h d ² t 1

X II dx-X

_T    10 ( dx T J        10 dx ² T

J =------7----------------\

T v к2098 + - I CpdT\

V       T T298

dT

Здесь Т — температура поверхности изнашиваемого материала; λ — его теплопроводность;    — градиент dx температуры; S — энтропия; Ср — объемная теплоемкость.

Первый член числителя в формуле (1) — производство, а второй член — поток тепловой энтропии. Разница между ними — энтропия, накопленная в изнашиваемом материале. Коэффициент K учитывает долю энергии трения, затрачиваемой на образование и удаление частиц износа (в первом приближении этот коэффициент равен отношению температуры вспышки на пятнах фактического контакта к температуре поверхности).

Состав и свойства ЭТС. Данные многочисленных экспериментов позволяют утверждать, что интенсивность изнашивания материала будет тем меньше, чем больше его энтропия — S (находится в знаменателе формулы (1)). Были разработаны экспериментальные твердые сплавы с модифицированной кобальтовой связкой, в которых часть кобальта заменяется молибденом — 1-я группа; железом и медью — 2-я группа; молибденом и титаном — 3-я группа (табл. 1) [4, 7].

Таблица 1

Новые составы ТС и изменение их энтропии в зависимости от состава

№ п/п	Сплав	Состав, %		Энтропия, Дж/моль·гр.	Коэффициент повышения стойкости
		WC*, %	Связка
1	2	3	4	5	6
1	2.1	91,69	8,31% [6,23% Со + 2,08% Мо]	35,25	1,8
2	2.2	91,4	8,6% [5,6% Со + 3% Мо]	35,22	1,7
3	2.3	90,28	[3,7% Со + 6,02% Мо]	34,95	Растрескивание
4	2.19	92,63	7,38% [1,52% Со + 5,03% Fe + 0,82% Cu]	35,08	1,4
5	2.20	92,38	7,62% [3,6% Со + 3,2% Fe + 0,82% Cu]	35,6	1,5
6	2.21	92,45	7,55% [5,4% Со + 1,43% Fe + 0,82% Cu]	35,16	1,9
7	2.22	91,95	8,05% [5,65% Со + 1,8% Мо + 0,6% Ti]	35,13	2,0
8	2.23	91,59	8,41% [5,1% Со + 2,7% Мо + 0,61% Ti]	35,09	1,8
9	2.24	90,62	9,38% [3,34% Со + 5,44% Мо + 0,67% Ti]	35,0	Растрескивание ≥1,0
10	ВК8 (по ТУ)	92	[7,5–8] %Со; не более 0,3% Fe;	35,0
			О 2 не более 0,5%
*Карбид вольфрама.

При обработке сталей 45 в условиях комбината твердых сплавов г. Владикавказа наибольшую стойкость при точении показали экспериментальные твердые сплавы (ЭТС) с содержанием молибдена не более 2 %, сплавы кобальт-железо-медь (железо не более 1,5 %) и со связкой кобальт-молибден-титан (молибден не более 2,5 %) (см. графу 6 табл. 1.). Оказалось, что стойкость этих сплавов в 1,5–1,9 раза выше, чем у сплава ВК8. Это согласуется с величинами их энтропий (см. графу 5 табл. 1), которые выше, чем у сплава ВК8 (рис. 1, кривая K и и Δ ■^298).

AS™. Дх/моль-грай.                      ^ HRA ^

Рис. 1. Характеристики экспериментальных твердых сплавов с модифицированной кобальтовой связкой [4, 7]

Эти данные были проверены в лабораторных условиях на кафедре «Инструментальное производство» ДГТУ при продольном точении жаропрочной стали 12Х18Н10Т. Приняв в качестве критериального износ по задней поверхности h 3 = 0,4∙10^–3 м, на каждой скорости в выбранном диапазоне ( V = 0,5; 0,83; 1,25; 1,66; 2,49 и 2,9 м/с) строили кривые износа h 3 от времени работы (рис. 2) [4].

Рыжкин А. А. и др. Износостойкость высокоэнтропийных инструментальных режущих материалов

Рис. 2. Износ пластин из экспериментальных твердых сплавов при точении жаропрочной стали 12Х18Н10Т ( u = 1,25 м/с; t = 0,5^ 10^-3 м; s = 0,23• 10^-3 м/об.)

При этом сплавы 2.22, 2.20, 2.21 и 2.1 показали максимальную стойкость, в 2–2,5 раза превышающую стойкость пластин из ВК8, как и при точении стали 45 (см. табл. 1).

Сплавы 2.3 и 2.24, содержащие в связке более 5 % Мо, оказались неработоспособными из-за повышенной хрупкости. Сплав 2.3 во всем диапазоне скорости резания демонстрировал катастрофический износ через 1,5 минуты после начала резания.

Для всех составов ЭТС существует оптимальная скорость резания, при которой интенсивность изнашивания J минимальна (рис. 3).

Составы ЭТС (кроме 2.3 и 2.24) на оптимальных скоростях резания обнаруживают в 2,4–3,0 раза большую износостойкость, чем базовый сплав ВК8. На высоких скоростях резания ( V >  2,5 м/с) сохраняется преимущество сплавов 2.22 и 2.23, а также сплавов 2.21 и 2.1. В зоне низких скоростей резания V = 0,5–0,8 м/с по сравнению с ВК8 сохраняется преимущество сплавов 2.1, 2.20, 2.22, 2.23 в силу меньшей склонности к схватыванию и проявлению адгезионного вида изнашивания, меньшему наростообразованию. Кроме этого, применение ЭТС с модифицированной кобальтовой связкой расширяет диапазон оптимальных скоростей резания ( V 0 = 1,25 – 2,0 м/с) [4].

Рис. 3. Интенсивность изнашивания экспериментальных твердых сплавов при точении стали 12Х18Н10Т ( V = 0,83 – 1,25 м/с; t = 0,5·10³ м; S = 0,23·10^–3 м/об.)

Одной из причин повышенной износостойкости ЭТС может быть их высокая окалиностойкость при взаимодействии с кислородом воздуха. В табл. 2 приведены результаты экспериментов по окалиностойкости этих сплавов (графа 3) и интенсивность изнашивания (графа 4).

Таблица 2

Стойкость ЭТС против газовой коррозии [4]

Сплав	Привес образцов при нагреве, г		Интенсивность изнашивания, J ·10–7( V = 1,25 м/с)	Энтропия, /> 29 8 , Дж/моль • °С
	300 °С	500 °С
1	2	3	4	5
ВК8	1·10-4	23·10-3	18,0	35,00
2.1	5·10-4	1,7·10-3	9,0	35,12
2.19	1·10-4	1,1·10-3	6,0	35,16
2.21	4·10-4	1,0·10-3	0,5	35,18
2.22	2·10-4	0,6·10-3	0,45	35,26

Свойства высокоэнтропийных БРС. К группе широко применяемых ИРМ относятся и БРС. Кроме энтропийного показателя они характеризуются еще и величиной абсолютной термо-ЭДС ( Е ).

Из физики твердого тела известно фундаментальное соотношение связи между термо-ЭДС ( Е ) и энтропией материала А 5 [8, 9]:

А Н-T А 5

E =------,

Fn где F — постоянная Фарадея, n — число электронов, T— абсолютная температура.

Из (2) видно, что большему значению энтропии материала соответствует меньшая термо-ЭДС.

Связь между Е и S (2) была проверена на быстрорежущих сталях. В табл. 3 и на рис. 4 представлены результаты расчетных значений энтропий для разный марок быстрорежущих сталей и сравнение с величинами их относительных ЭДС (по отношению к платине).

Физические и эксплуатационные характеристики БРС [4, 10]

Таблица 3

Марка стали	Физические свойства		Трение	Сверление
	Абсолютная термо-ЭДС, мкВ/ °С	Энтропия, S °98 , Дж/моль • °С	Интенсивность изнашивания, J ·10–8	Стойкость*
				Т (0,5)	Т (0,9)
Р18	15,2	28,04	2,5	144	66
Р12	–	27,67	2,0	–	–
Р6М5	15,0	27,26	3,0	178/163	82
Р6М4Ф4	13,5	27,46	2,5	245	68
Р4М4Ф4	8,7	27,3	–	102	68
10Р6М5	–	27,60	–	198	–
Р6М5К5	–	27,70	1,5	–	–
Р8МЗФ4	10,8	27,53	1,6	175	70
Р9Ф5	11,5	27,83	1,5	145	69
Р6Ф2К8М5	4,2	27,57	1,5	241	90
Р12Ф2К8МЗ	6,1	30,78	1,4	332	130
Р18Ф2К8	–	30,60	–	–	–
*В количестве отверстий.

Из рис. 4 видно, что существует связь между энтропией ИРМ как термодинамической характеристикой и относительной (абсолютной) термо-ЭДС: большей энтропии соответствует меньшая абсолютная термо-ЭДС стали — ε.

Рис. 4. Связь между энтропией и термо-ЭДС для быстрорежущих сталей разных марок (ГОСТ 19265-73):   — Р6Ф2К8М5,

Р12Ф2К8М3,  — Р18,  — Р6М4Ф4,  — Р6М5,  — Р6М5К5,  — Р8М3Ф4,  — Р9Ф5

Экспериментально установлена связь между износостойкостью быстрорежущих сталей при трении и резании (сверление) и термодинамическими характеристиками структуры — энтропии и термо-ЭДС (рис. 5). Наилучшие показатели продемонстрировали стали, имеющие минимальные значения термо-ЭДС.

Рыжкин А. А. и др. Износостойкость высокоэнтропийных инструментальных режущих материалов

Рис. 5. Взаимосвязь абсолютной термо-ЭДС и интенсивности изнашивания БРС при трении (кривая 2) и гарантийной стойкости сверл при резании (кривая 1) для разных марок быстрорежущих сталей [10]: 3 — Р6Ф2К8М5, • — Р12Ф2К8М3, о — Р18, □ — Р4М4Ф4, д — Р6М4Ф4, X — Р6М5, л — Р6М5К5, V — Р8М3Ф4, в — Р9Ф5

Выводы.

• 1.    Теоретическая оценка интенсивности изнашивания ИРМ как гетерогенных структур показала, что для снижения износа при трении и резании необходимо увеличивать энтропию или уменьшать абсолютную термо-ЭДС.

• 2.    Для быстрорежущих сталей обнаружена функциональная взаимосвязь между структурными характеристиками материалов — абсолютной термо-ЭДС и энтропией.

• 3.    В качестве параметра, характеризующего работоспособность ИРМ в условиях резания, целесообразно использовать его энтропию, так как этот параметр поддается расчету при известном химическом составе ИРМ. При «конструировании» ИРМ следует повышать энтропию варьированием состава.