О.І. Сошко, В.О. Сошко

Херсонський національний технічний університет

ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ СТАНУ ПОВЕРХНІ ТІТАНУ В ПРОЦЕСІ МЕХАНОХІМІЧНОЇ ОБРОБКИ

Необхідною загальною умовою стабільного існування поверхні розділу між двома фазами є позитивне значення вільної енергії утворення поверхні розділу: будь вона негативною або нульовою, то навіть випадкові флуктуації однієї з фаз викликали б безперервне розширення поверхні аж до повного диспергування одного матеріалу в іншому. Прикладом поверхні розділу, вільна енергія якої з розрахунку на одиницю площі така, що диспергуючим силам не протиставляється якої небудь протидії, є поверхня розділу між розрідженими газами, або двома рідинами, що змішуються.

В той же час, навіть у разі двох незмішуючих контактуючих фаз, наприклад твердих тіл, присутність третього компоненту, наприклад, рідкого або газового середовища, може так змінити вільну енергію міжфазової поверхні, що стає інколи можливим мимовільне взаємне проникнення. Зрозуміло, що цей процес залежить не лише від фізико-механічних властивостей контактуючих фаз, але і від рівня дії зовнішнього зусилля і стану поверхні контактуючих фаз.

Виходячи з цього концептуального положення, розглянемо процес формування поверхні тітану в результаті його обробки в полімервмісних змащувально-охолоджувальних технологічних середовищах (ЗОТС) нового покоління, які змінюють механізм обробки переводячи його в площину механохімічну.

Досягнуті останнім часом успіхи в суміжних галузях науки спричинили більш глибоке розуміння процесу руйнування твердого тіла при впливі на нього різних рідких і газових середовищ, що дозволило запропонувати, розробити і впровадити деякі склади ЗОТС нового покоління [5]. Висока ефективність таких засобів в одному випадку досягається за рахунок застосування при різанні і шліфуванні легкоплавких металевих сумішей [3, 2], а в іншому – за рахунок введення до складу ЗОТС високомолекулярних з'єднань [6-8].

Ймовірно, висока ефективність ЗОТС на полімерній основі [8] обумовлена принциповою зміною механізму його впливу на процеси деформації і руйнування металу, оскільки полімерний компонент ЗОТС в результаті багатостадійних піролітичних перетворень набуває в зоні обробки хімічну активность [6- 8].

Такі хімічні перетворення полімерної складової ЗОТС дали підстави авторам назвати обробку механохімічною (МХО) [2, 6].

Саме група явищ супутніх багатостадійним перетворенням макроланцюга полімеру до стадії низькотемпературної плазми [6] очевидно і формує, при МХО фізичний стан поверхні, що було предметом даного дослідження.

В результаті цього поверхня металу буде карбонуватися, реакція при цьому сповільнюється, а потім і зовсім припиняється і поверхня стане повністю інертною. У цей же час оскільки при різанні метала безперервно утворюються нові ювенільні каталітично активні поверхні, хімічні перетворення на нових поверхнях відбуватимуться безперервно. Таким чином, в даному випадку простежується механізм каталітичних реакцій на кінцевому етапі якого утворюється водень.

Здатність поверхні сильно нагрітих металів генерувати в об'єм вільні атоми відома з часів ранніх робіт Ленгмюра на основі яких був створений один з простих методів отримання атомарного водню в малих кількостях. В цьому випадку процес йде по двохстадійній схемі [10] :

Ме + Н₂ → Ме – Н + Н;

Ме – Н → Ме + Н

На можливість протікання аналогічного процесу при механохімічній обробці, вказує той факт, що в цей процес втручається ювенільна поверхня, що безперервно оновлюється в результаті механічної обробки .

Вивчення хемосорбції і простих хімічних реакцій на поверхні тітану, що піддавалась ультравакуумному очищенню (10^-10 мм.рт.ст.), показало [11], що при цьому досягається вельми значне підвищення хімічної активності молекул. Хемосорбція водню, азоту і кисню і дисоціація на атоми вже при температурі рідкого повітря - 188°С (в деяких випадках і при температурі зріджування водню - 253°С) протікає дуже швидко, практично без енергії активації.

У нашому випадку атоми чистої поверхні металу поводяться так, ніби кожен з них володіє одною, або більше вільними валентностями [9]. На модельній мові хімії швидше слід говорити про утворення між поверхневими атомами гратки великого числа додаткових неміцних зв'язків, що легко розриваються при адсорбції. Подальші дослідження підтвердили цю пропозицію.

Матеріали та методика випробувань

Приповерхневий шар металу після механічної обробки (режим обробки: різець ВК – 6: v=8,3 c-1, t=0,8 mm, s=0,1 mm/об.) досліджували за допомогою рентгенівського та мікроструктурного аналізу. Вивчали технічно чистий титан, який, як відомо, дає стійкі хімічні з`єднання з воднем. В системі Ті-Н утворюються твердий розчин водню в α- та β-Ті, а також декілька гідридів, гомогенних у широкому диапазоні концентрації водню [12]. Титан володіє великою реакційною спроможністю до водню і великою розчинністю в ньому. Таким чином, різноманітні зміни, і в першу чергу, незворотні, які викликає водень у титані, добра вивченість системи Ті-Н, робить його придатним для нашого дослідження.

Рентгенівськи та мікроструктурні дослідження обробленого титану проводились після його точіння, тому що в цьому випадку через короткочасне перебування шару металу перед лезом (10³-10⁶ с^-1 і меньше) створюються найбільш «невигідні» умови для здійснення можливого впливу водню на макромолекулярний ланцюг. Тому, якщо в таких «невигідних» умовах будуть зафіксовані структурні зміни в обробленому титані, то вони, повинні бути більше помітні в інших умовах і інших видах механічної обробки.

Електронно-мікроскопічні дослідження структури зразків проводились на приладі ЕОМ 100АК методом хромкварцевих реплік, які напилялись на попередньо відшліфовані і протравлені травітелем (1HF+1HNO₃+2% гліцерину) зразки. Рентгенівськи зйомки обробленої поверхні титана здійснювали на дифрактометрі.

Результати досліджень та їх обговорення.

На дифрактограмах поверхонь не виявлені рефлекси інших фаз крім титана. Однак у приповерхневому шарі є включення у міжзерених областях, якісний аналіз яких показав, що їх міжплоскосні відстані відповідають гідриду ТіН. Розмір цих включень досягає більше ніж 1 мкм. Структура матеріалу в обсязі на значній відстані від обробленої поверхні відповідае рівноважній α-фазі, що збігається з іншими відомими даними по рентгенівської дифрактометрії титана. Разом з тим, мікроструктура поверхневих шарів обробленого матеріалу відрізняється відмікроструктури серцевини, і істотно змінюється залежно від середовища в якому проводилась обробка [12].

Так, наприклад, на рис. 1 при різанні в повітрі на поверхні матеріалу видно сліди пластичної деформації титану. У цьому випадку кристали мають пластинообразний вигляд і витягнуті вздовж ціліндричної частини поверхні зразку, в напрямку сили, що діє паралельно вектору швидкості різання. Лінії зсуву, які спостерігаються в окремих кристалах, перебувають під кутом одна до одної, а межа кристалів у більшості випадків має прямолінійну форму. Такий вид міжкристалітної межі характерний при механічному двійнікуванні матеріалу.

Рис.1. Мікроструктура поверхневого шару титанового зразку після точіння на повітрі (х11500).

При обробці матеріалу в рідині без полімерної присадки (Рис. 2.), поряд з областями, які характеризують протікання в матеріалі пластичної деформації, має місце кріхке руйнування матеріалу, причому тріщини проходять через обсяг окремих кристалів.

Рис.2. Мікроструктура поверхневого шару титанового зразку після точіння в ЗОТС без полімерної присадки (х11500).

У реплиці від обробленої поверхні є області, де замість ступеневих зламів – границь пачок ковзання, поверхня металу носить сліди крихкого руйнування по двох сімействах площин.Встановлений характер мікроструктури поверхневого шару після точіння в ЗОТС із полімером (Рис. 3.) свідчить про те, що в цьому випадку зовнішне зусилля рівномірно передається на всі площини ковзання, і деформація є сумарним результатом невеликих відносних зрушень пачок ковзання. Так картина протікання пластичної деформації характерна для твердих тіл, коли рух крайових дислокацій по окремих площинах гальмується в наслідок збільшення концентрації домішок уздовж фронту руху, що сприяє сильному зниженню величини кристалічних блоків і росту мікронапружень [3, 2].

Рис.3. Мікроструктура поверхневого шару титанового зразка після точіння в ЗОТС із полімерною присадкою (х20000)

Таким чином, результати досліджень показують, що при різанні в ЗОТС із полімером відбуваються сильні структурні зміни у приповерхневих і поверхневих шарах титану, що пов`язано із впливом іонізованого водню й утворенням по границях зерен гідріду титану (Рис. 4.) Слід відзначити, що атомарний водень утворюється не тільки безпосередньо в процесі деструкції полімера, але й при дисоціаціїї водневмістних продуктів реакції на хімічно чистих оброблюваних поверхнях [6].

Рис.4. Мікроструктура титану із включенням ТіН₂ (х65000).

ВИСНОВКИ

Формування стану поверхні, яка утворюється в процесі різання полімервмісних ЗОТС, відбувається в результаті складного комплексу фізико-хімічних явищ (механічних, теплових, електричних, адсорбційних, дифузійних та інших), які супроводжують взаємодію інструменту із оброблюваним металом в умовах великого контактного тиску, температур і впливу активних форм водню і вуглецю (для ПЕ) або хлористого водню, водню і вуглецю (для ПВХ). Різноманітність складних фізико-хімічних явищ і процесів що протікають в зоні механохімічної обробки сталі багато в чому і визначає ступінь прояву ефекту від застосування полімервмісних ЗОТС, що відкриває можливість гнучко варіюючи умовами, в яких здійснюється обробка, управляти, як у напрямі посилення корисних, так і ослаблення негативних чинників обумовлюючих ефективність механохімічної обробки.

Література

1. Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И. Влияние водорода на свойства стали. 1962 . Металлургиздат. -217с.

2. Лихтман В.И., Щукин Е. Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика материалов, М.: Изд. АН СССР, 1962. – 303 с.

3. Щукин Е.Д., Брюханова Л.С., Полукарова З. М., Перцов Н. В. Применение сильно поверхностно-активных сред для интенсификации процессов механической обработки твердых тел и материаллов // ФХММ, К.: Наук думка, 1976, 12, № 4, с.43

4. Ф. Маклинток, А.Аргон. Деформация и разрушение материалов. Пер. с английского под ред. Е.М. Морозова, изд. Мир, М., 1970, с.443.

5. Справочник. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием /под ред. С.Г. Энтелиса – М.: Машиностроение. 1986 – 352 с.

6. Сошко А.И., Сошко В.А. Смазочно-охлаждающие средства в механической обработке металлов. – Херсон: Изд. Олди-плюс, 2008, ч.2 – 388 c.

7. Сошко А.И. Механохимическая обработка металлов. Полимеры в технологических процессах обработки металлов.- К.: 1977 – 16 с.

8. Сошко В.А. Состояние металлической поверхности после механической обработки с применением смазочно-охлаждающих технологических сред// ФХММ, К.: Наук думка, 1990, 26, №5, 120с.

9. Рачинский С.З. Теоретические основы контактного анализа, ч. 1-2, М. изд. АН СССР, 1936. – 179 с.

10. Рачинский С.З. Строение вещества и сиектроскопия, М.: Изд. АН СССР, 1960 – 277 с.

11. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах.-М.: Металлургия, 1974. -99с.

12. Сошко В.А., Шкарапата Я.Е., Когут А.Н. Роль водорода при резании титана в полимерсодержащих средах. ФХММ. - Киев, Наук. думка, 1988, №3, C.119-120.