Д.т.н. Сошко А.И., к.т.н. Сошко В.А.

Херсонский национальный технический университет

Взаимодействие обрабатываемого металла с химическими элементами СОТС

Сущность способа механохимической обработки (МХО) заключается в том, что положительный результат достигается в результате введения в смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС) специальных добавок высокомолекулярных соединений, которые в зоне механической обработки в результате химических превращений на конечном этапе дают продукты в виде активных форм водорода (Н⁺, Н^- и Н) [1, 2]

Разрушение макромолекул полимера происходит после их физической адсорбции на горячих поверхностях стружки и инструмента. При этом, сначала образуются промежуточные химические активные продукты (радиально-активные осколки разорванных молекул ,атомарный водород, ион-радикалы), которые вызывают самопроизвольное продолжение химических реакций.

Заключительная стадия превращения присадки протекает на каталитически активных поверхностях, которые непрерывно образуются в результате резания металла и значительно ускоряют протекание реакций с образованием низкотемпературой водородной плазмы, состоящей из H⁺, H^-, H [2].

Взаимодействие метала с водородом

Изучение взаимодействия водорода с металлом представляет одно из интереснейших направлений в области физики, физической химии, физики твердого тела и материаловедения, как с точки зрения фундаментальных исследований, так и прикладных. Уже сегодня, установленные закономерности при изучении данной проблемы, легли в основу разрабатываемых различных инновационных технологий. Применение водорода в механической обработке металлов – еще один пример нового применения водорода в технике.

Тот факт, что простейший из всех химических элементов водород играет решающую роль в изменении механических свойств метала при его разрушении в любой технологической поверхностно-активной жидкости, обусловливает необходимость изучение закономерностей его влияния на процессы деформации и разрушения металлов. Такие исследования представляют исключительное значение, как при разработке способов ускорения разрушения твердых тел, так и способов защиты металлических конструкций от негативного влияния водорода.

Кроме этого, даже беглый и, естественно, не полный анализ проблем, по изучению системы металл – водород, демонстрируют, что такие системы, интересные сами по себе, оказываются к тому же «модельными веществами», прототипами, на которых можно изучать целый ряд физических явлений.

Здесь мы специально не затрагиваем одну из основных проблем – механизм взаимодействия металла с водородом, поступающего в небольшой концентрации в материал во время его деформации и разрушения и отражение этого взаимодействия на конечном результате – изменение прочности. Это огромная проблема требует специального изучения.

Взаимодействие металла с другими химическими элементами, образующимися в процессе активации СОТС

Согласно принятой модели, реакция деструкции полимерной присадки и ее катализ на ювенильных, вновь образующихся в процессе резания поверхностях, используется для получения водорода в активных формах. Именно водород, введенный в металл, изменяет физические и прочностные свойства последнего.

Вместе с тем, в процессе химических реакций полимерных цепей образуются и другие химические элементы и соединения, атомы которых входят в состав макроцепи. Так, например, органические полимеры, которые рекомендуются в качестве присадок к СОТС, могут содержать в главной цепи не только атомы углерода (как в случае ПЭ и ПВХ), но и атомы кислорода, азота и серы. При этом, боковые группы этих полимеров кроме водорода (ПЭ), водорода и хлора (ПВХ), могут также состоять из галогенов или атомов других элементов, непосредственно не соединенных с углеродом основной цепи.

Ниже, в конспективной форме рассмотрим роль некоторых химических элементов и веществ, образующихся при распаде макроцепи ПЭ и ПВХ, в процессах механической обработки металла.

Углерод. В процессе резания металла в технологической жидкости с полимерной присадкой (ПЭ или ПВХ) в результате распада макроцепи полимера в зоне резания образуется углерод, который в процессе механической обработки отлагается и накапливается на режущих кромках инструмента [3]. Как показали исследования [3], в данном случае углерод находится в аллотропической модификации в виде графита. Известно, что атомы углерода в графите расположены отдельными слоями, которые связаны между собой слабыми силами Ван-дер-Ваальса и поэтому легко расщепляются на тонкие чешуйки. Поэтому аморфезированный графит используется в промышленности в качестве смазки трущихся поверхностей.

Действительно, как показали результаты промышленного использования полимерсодержащей СОТС графит, в процессе резания, накапливаясь на поверхностях режущих лезвий инструмента разделяя трущиеся поверхности многократно снижает износ инструмента [1,2].

Кроме этого, было установлено [2], что в процессе работы режущего инструмента его лезвия насыщаются углеродом. Так, например, при точении стали 45 в течении 30 минут в СОТС с добавкой ПЭ режущим инструментом, изготовленным из стали Р6М5, глубина диффузии в его лезвие достигла 250 мкм. Таким образом в процессе механической обработки происходит непрерывная диффузия углерода в режущие кромки инструмента с образованием твердых карбидных фаз, способствует повышению износостойкости инструмента.

Хлор. При использовании в механической обработке СОТС с добавкой ПВХ в результате распада макроцепи полимера кроме углерода и водорода получается хлор. Известно, что хлор с железом образует неорганические соли, которые в виде расплава представляют собой хорошую смазку. Однако скорость образования хлора и его концентрация в зоне резания недостаточны для образования такой смазки.

Для увеличения концентрации хлора в зоне резания полимерсодержащая присадка, на основе ПВХ, модифицируется соединениями хлора, и при использовании СОТС с такими модифицированными присадками в зоне резания образуется не только высокая концентрация хлора, но и его положительные радикалы. Вследствие этого при взаимодействии водорода, хлора и RCl в различных сочетаниях на поверхности обрабатываемого железа и его сплавов образуются неорганические соли FeCl₂ и FeCl₃. Известно, что такие соединения, имея низкие температуры плавления (672ºС и 309ºС соответственно), в зоне резания под действием высокой температуры расплавляются. Образовавшиеся на трущих поверхностях пленки расплава солей обладая низким сопротивлением сдвигу, превращаются в хорошую смазку, что повышает износостойкость инструмента.

Возможны и иные варианты предварительной модификации полимерной присадки, способствующие повышению стойкости инструмента. Для этого можно использовать азот или фосфор, которые в составе полимерной цепи при ее распаде образуют химические соединения хорошо разделяющие трущиеся поверхности.

Литература

1. Сошко А.И. Сб. полимеры в технологических процессах обработки металлов. Изд. Наук. Думка, Киев, 1977-15с.

2. Сошко А.И., Сошко В.А. Смазочно-охлаждающие средства в механической обработке металлов. Изд. Олди-плюс, Херсон, 2008, ч.1, -388с.