Водород как основа нового поколения

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА С МЕТАЛЛАМИ. По­вышение производительности металлорежущего оборудования, особенно работающего в автоматических производственных системах, является актуальной задачей. Анализ состояния раз­работки производства и использования СОТС, как одного из способов повышения производительности, показал, что сущест­вующие подходы к решению этой задачи не могут обеспечить ее решение. В связи с этим необходимо создание таких СОТС, которые позволяли бы осуществлять целевое воздействие на процесс резания.

Влияние водорода на механические свойства металлов являются одним из наиболее сильных по сравнению с действи­ем других газов, например, кислорода, азота, углеводородов. Уникальная подвижность водорода в кристаллической решетке металла во многом определяется размерами его ядра, лишенно­го электронов, т.е. протона. Перенос протонов протекает без существенной перестройки связанных электронов и без участия сил отталкивания между несвязанными электронами. По­ведение протона может существенно отличаться от классиче­ского вследствие его малой массы, при этом может наблюдать­ся туннельный эффект, что подтверждено экспериментально.

Взаимодействие водорода с металлами изучается уже более ста лет, но не смотря на это в литературе существует большая разноречивость сведений о свойствах растворенного в металлах водорода, его взаимодействии и влиянии на физико-химические свойства металлов. Рассмотрим кратко наиболее существенные научные результаты о влиянии водорода на не­которые физико-химические и механические свойства метал­лов. Несомненно, что параметры, характеризующие взаимо­действие водорода с металлом зависят от структуры последне го, состава легирующих элементов, присутствия примесей, на­личия макро- и микронапряжений и др. Сам процесс взаимо­действия водорода с металлом включает в себя абсорбцию, ад­сорбцию и диффузию в кристаллической решетке.

При невысоких температурах, когда кинетическая энер­гия молекул водорода не может обеспечить их достаточного сближения с поверхностью металла, преобладает физическая адсорбция. Она развиваетсся под действием ван-дер-ваальсовых сил, характеризующихся дальнодействием и малыми величи­нами. При этом межатомное взаимодействие в молекуле адсор­бированного газа меняется мало (ее деформация в поле кри­сталла невелика). При более высоких температурах, когда ки­нетическая энергия достаточна для преодоления активационно-го барьера, начинается химическая адсорбция. Хемосорбцион-ные воздействия характеризуются более прочными химически­ми связями, для возникновения которых необходимо сближе­ние на малые расстояния атомов адсорбента и адсорбата и пре­одоление потенциального (активационного) барьера. При достаточно высоких температурах, когда система переходит в равновесное состояние, дальнейшее повышение температуры вызывает уменьшение количества хемосорбированных молекул водорода.

В процессе хемосорбции наблюдаются изменения не только в структуре адсорбированных молекул водород, но и в структуре адсорбента. Взаимодействие хемосорбированных час­тиц с поверхностью металла может быть существенным, что приводит к разрушению его поверхностного слоя, разрыву ме­таллических связей и образованию валентных связей, при этом происходит формирование поверхностных комплексов (соединений). В связи с этим хемосорбция, как правило, необратима, а ее теплота достаточно велика (десятки ккаль/моль) и близка к характерной для образования химиче­ских соединений. Таким образом, при низких температурах водород сравнительно медленно взаимодействует с железом, но с ростом температуры и в условиях, облегчающих образование атомарного водорода, процесс значительно интенсифицируется. В определенных условиях в результате взаимодействия систе­мы "водород-железо" возможно образование нового соединения.

Предполагается, что соединения могут образовываться на поверхности металла, либо в его объеме - пересыщенные твердые растворы, не обладающие специфической решеткой и особым видом межатомного взаимодействия. Не вызы­вает сомнения факт существования гидридов железа FеН, FеН₂ , FеН₃. Гидрид FеН представляет собой кристалличе­ское вещество, устойчивое до 150⁰ С. Высшие гидриды – темные кристаллы, разлагающиеся с заметными скоростями уже при 58-60°С с образованием FеН и Н.

Для определения зависимости растворимости водорода в железе от давления используют известный закон Сивертса. Впоследствии выяснилось, что эта закономерность вы­полняется не только при растворении водорода в железе, но и при растворении водорода во многих сталях и сплавах на осно­ве железа и других металлов, при давлении до 500 атм и тем­пературе до 500 С.

Известно, что в процессе растворения водорода в железе довольно значительно поглощается тепло. Это указывает на то, что процесс должен интенсифицироваться с ростом температу­ры.

Проблеме растворимости водорода в металлах и сплавах посвящено большое число работ, здесь же применительно к нашим исследованиям необходимо выделить только следующих два основных аспекта. Во-периых, сильное изменение химиче­ских и физико-механических свойств металла при его взаимо­действии с водородом и, во-вторых, заметное поглощение тепла в процессе растворения водорода в металле. Эти два аспекта представляют наибольший интерес при анализе процессов, на­блюдающихся в зоне контакта деталь-инструмент при резании, с точки зрения влияния водорода на энерго-силовые парамет­ры резания.

Таким образом, количество растворенного водорода и его взаимодействие с металлами играет немаловажную роль при изучении его влияния на технологические и эксплуатаци­онные свойства металлов, в том числе на их обрабатываемость и стойкость обрабатывающего инструмента. Рассмотрим крат­ко, влияние водорода на механические свойства стали. При электролитическом наводороживании труднообрабатываемых сплавов проникновение водорода в поверхностные слои на глу­бину 0,4 до 1,5 мм вызывает охрупчивание и облегчает съем металла. Это в свою очередь приводит к уменьшению темпера­туры в зоне резания, создает благоприятное стружкообразование, уменьшает деформации и напряжения металла в зоне кон­такта, повышает стойкость инструмента, снижает шерохова­тость обработанной поверхности [95].

Водородное охрупчивание стали и сплавов на основе же­леза связывают с тем, что водород блокирует дислокации, пре­пятствуя тем самым протеканию пластической деформации [96,97]. Ряд авторов придерживается мнения, что при наводо­роживании дислокации освобождаются от облаков атомов азота или углерода, в дальнейшем водород ионизируется и при сосре­доточенной деформации его возрастающее давление вызывает появление микро, а в дальнейшем макротрещин [98]. Умень­шая силы межатомного взаимодействия приповерхностного слоя толщиной в несколько десятков межатомных расстояний, водород снижает сопротивляемость действию нормальных на­пряжений. Поэтому при наличии адсорбированного водорода трещины возникают при меньших приложенных напряжениях [99-104].

Таким образом, краткий анализ работ по данной про­блеме позволяет сделать вывод о том, что водород облегчает процессы деформации и разрушения и в конечном счете может приводить как к пластифицированию, так и охрупчиванию металлов [101-103]. Исходя из вышесказанного, а также, учи­тывая что водород в металлах интенсивно стремиться в область максимальных температур [105], можно сделать вывод о том, что он должен активно влиять на процесс механической обра­ботки, оказывать влияние на обрабатываемый материал и ре­жущий инструмент.

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ПРОЦЕССЫ МЕТАЛЛООБ­РАБОТКИ. Известно, что при подавляющем большинстве слу­чаев механической обработки процессы трения и изнашивания играют первостепенную роль в формировании структурно-напряженного состояния поверхностных слоев обрабатываемых деталей, оказывают влияние на стойкость режущего инстру­мента и в конечном итоге на производительность и энергоем­кость обработки. В связи с этим рассмотрим коротко влияние водорода на сопротивление некоторых металлов и сплавов ука­занному виду разрушения.

Первые исследования влияния водорода на внешнее тре­ние были проведены в 1935 г. Розенбергом [106]. Обнаружено, что в среде газообразного водорода износ металлов значительно выше, чем в случае воздушной среды. Оказалось, что для по­ступления водорода в зону трения среда не обязательно должна содержать свободный водород [107-110]. Его источниками могут служить водные растворы электролитов [110], углеводородные смазочные составы, твердые органические водородсодержащие материалы [107,108], если они используются в качестве контр­тела в паре трения. В этих случаях выделение водорода проис­ходит при участии в качестве катализатора постоянно обнов­ляемой трением металлической ювенильной поверхности. На ней же адсорбируется водород откуда диффундирует вглубь металла вызывая водородное охрупчивание [107,108,110,111].

Из-за специфического распределения напряжений, де­формаций и температур при трении (их максимумы находятся на некотором удалении от поверхности) эффект водородного охрупчивания появляется иначе, чем при объемном нагруже-нии [112]. Например, при трении стали в среде газообразного водорода в поверхностном слое на глубине 5-20 мкм появляют­ся поры диаметром до 3 мкм, которые объединившись выходят на поверхность в виде трещин и приводят к хрупкому разрутению поверхности - "лепестковый износ" [111]. Такой вид изнашивания легко обнаруживается по появлению размазан­ных по поверхности контртела крупных частиц разрушаемого материала, при этом контртело может быть выполнено из более мягкого материала. Но в большинстве случаев с влиянием во­дорода связывают разрушение другого типа - водородное изна­шивание диспергированим, характеризующееся меньшей ин­тенсивностью и средним размером частиц износа, а также более равномерным распределением изнашивания по поверхности металла [107,108].

В случае изнашивания в водороде таких металлов, как титан и цирконий механизм разрушения дополняется образо­ванием гидридов, обладающих меньшей износостойкостью, чем материал матрицы [113]. Ряд данных [114-116] свидетельствует о том, что влияние водорода на процесс трения может приво­дить к уменьшению изнашивания по сравнению с ненаводоро-женным образцом. Это наблюдается при сравнительно невысо­ких концентрациях водорода в металле, невысоких давлениях в зоне контакта и концентрации углерода в исследуемом образце не выше 0,5%. Увеличение одного из указанных параметров вначале уменьшало положительное влияние водорода, а затем приводило к снижению износостойкости.

Проявление эффекта водородного изнашивания зависит в значительной мере от состояния поверхности и параметров трения. Так, в работе [108] показано, что интенсивность изна­шивания наводороженных стальных образцов повышается, если они подвергались предварительной приработке. Увеличе­ние скорости скольжения приводит к снижению водородного изнашивания [111,117]. Коэффициент трения при испытании в среде газообразного водорода увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с воздушной средой [116], предельная нагрузка за­едания монотонно уменьшается по мере увеличения степени наводороживании стального образца [108]. При испытании в воде степень поглощения водорода металлом примерно на по­рядок больше, чем в масле [110].

По сравнению с процессом трения резание металла ха­рактеризуется рядом специфических особенностей. В энергети­ческом балансе процесса резания 90% и более приходится на работу пластической деформации материала обрабатываемой детали [118]. Поэтому принято считать процесс резания - про­цессом превалирующего пластического деформирования. От пластической деформации зависит тепловой режим и контакт­ные нагрузки на рабочих поверхностях инструмента, а следо­вательно интенсивность и характер их изнашивания [119].

Температуры в зоне резания, могут превышать 700-900°С [120], т.е. создают условия, в которых адсорбация и по­глощение водорода сталью затруднена, а это препятствует на водораживанию инструмента. Что касается детали, то ее наво-дороживание осуществляется на некотором удалении от зоны резания, где металл не так сильно разогрет [121].

Помимо трудностей с адсорбцией, повышенные темпера­туры могут вызывать трудности с его транспортированием вглубь металла. Согласно [111,122] диффузия ускоряется дис­локациями, которые способствуют миграции водорода к атмо­сферам примесных атомов. Повышение температуры, как из­вестно [123], способствует отрыву этих атмосфер от дислока­ции, что в условиях высоких скоростей десорбации диффузион­но-активного водорода из металла, непременно вызывает за­метное торможение процесса переноса его вглубь металла.

Наконец, высокие температуры увеличивают вероят­ность диссоциации и последующей десорбции молизированного водорода, находящегося в подповерхностных порах [111,122]. В результате должен замедлиться рост этих пор и, как следствие, уменьшиться интенсивность изнашивания. Подтверждением этого предположения могут быть данные, приведенные в работе [111], в которой исследовано температурную зависимость изно­са нержавеющей стали при трении в атмосфере газообразного водорода, и установлено, что максимальный водородный износ наблюдается при температуре 27°С, тогда как при 170°С эффект спадает до нуля. С другой стороны, повышение температуры ускоряет деструкцию смазочной среды, в результате чего может интенсифицироваться процесс выделения водорода в зоне реза­ния. Это в определенной степени компенсирует перечисленные выше эффекты.

Наряду с высокой температурой в зоне резания разви­ваются высокие давления [41]. Совместное действие этих двух факторов способствует тому, что основной вклад в изнашивание инструмента в зоне контакта деталь-стружка-инструмент вно­сят адгезионная, диффузионная и окислительная составляю­щие, т.е. реализуется иной механизм разрушения, чем в случае трения характерного для деталей машин [120]. Об этом свиде­тельствует отсутствие корреляции между результатами стойко-стных испытаний СОТС, приводимых на машинах трения и непосредственно на металлорежущих станках [11].

Исследуя влияние водорода на процесс резания, следует учитывать материал инструмента, его состав и структуру. Как известно [120], для изготовления металлорежущего инструмен­та используют быстрорежущие стали и твердые сплавы. Стали содержат в своем составе вольфрам, хром, ванадий, молибден и другие карбидообразующие элементы, которые активно инги-бируют водородную коррозию, а также наводораживание и во­дородный износ. Твердые сплавы, состоящие из карбидов вольфрама, титана и кобальта, по всей видимости, вообще инертны по отношению к водороду. На это указывает тот факт, что технология их получения включает операцию спекания в атмосфере водорода при температуре 1600-1900°К [125].

Одновременно с воздействием на инструмент, водород способен оказать влияние на обрабатываемую деталь, вызывая ее охрупчивание в процессе обработки, облегчая тем самым обрабатываемость, что в конечном итоге повышает стойкость инструмента [120,124].

Немаловажной причиной положительного влияния во­дорода на стойкость инструмента является его интенсифици­рующее воздействие на процесс диффузионного науглерожива­ния поверхностного слоя инструмента, которое наблюдается в зоне резания [126,127].

Несмотря на относительно большой объем работ, посвя­щенных изучению влияния водорода на процессы механиче­ской обработки металлов, имеются противоречивые мнения. Большинство исследователей [95,121,126,128-134] считают, что водород играет положительную роль, облегчая обрабатывае­мость металла при обработке металлов давлением (ОМД) [123,125] и резанием [129-133,135] и повышает стойкость инст­румента [95,126,131-133].

Противоположное суждение высказано в работах [136-139].

Существуют расхождения и в объяснении механизма воздействия водорода на процессы металлообработки. Авторы [121,128-130] для объяснения полученных данных привлекают гипотезу адсорбционного облегчения деформирования и разру­шения обрабатываемого металла, в которой водород рассматри­вается как среда, снижающая поверхностную энергию на гра­нице с металлом. Другие исследователи [95,126,131-133, 136,137] полученные экспериментальные данные объясняют на основе с одной стороны известных представлений о водородной хрупкости [112], водородной коррозии [139] и, с другой сторо­ны - выдвинутой в работе [138] концепции об уменьшении в присутствии водорода степени окислительного износа режущего инструмента. Существует также мнение, при котором водород рассматривается в качестве среды, которая вследствие своей инертности по отношению к детали и инструменту не способна формировать на их поверхности пленки, обладающие смазоч­ными действиями.

Необходимо отметить, что действие водорода при трении и резании принципиально отличается от статического влияния его прочность металла. При трении, как, по-видимому, и при резании водород локализуется в районе поверхностных слоев, образуя новые структуры и фазы, обладающие другими физи­ко-механическими свойствами по сравнению с исходным ме­таллом [140]. В некоторых случаях существенно уменьшаются прочность и твердость обрабатываемого металла, что приводит к необъяснимым ранее явлениям: "размазыванию" стали по поверхности менее твердого металла - бронзы, пластмассы и др.[77]. В связи с изложенным представляется интересным использовать водород в качестве СОТС. Вместе с тем, использо­вание водорода для механической обработки металлов очевидно не найдет практического применения, так как все предпола­гаемые способы подвода водорода не технологичны, или далеко не безопасны. В связи с этим, по нашему мнению, наиболее целесообразно для этого случая использовать полимер опреде­ленного физико-химического состава, который в зоне резания под действием повышенных температур легко деструктирует с выделением активного водорода.

Дата добавления: 2014-01-11