О ВЛИЯНИЕ ИОДА НА ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ sp-МЕТАЛЛОВ

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты влияния йода на обрабатываемость легкоплавких металлов, характеризуемых слабыми когезионными силами связи, скорости резания и температуры на электродонорные свойства этих металлов. Установлено, что адсорбционный эффект  на алюминии, титана, железа и никеля обьясняется электроотрицательностью атомарного йода по отношению энергетического параметра.

ABSTRACT

The results of the effect of iodine on the machinability of low-melting metals characterized by weak cohesive bonding forces, cutting speed and temperature on the electron-donating properties of these metals are presented. It has been established that the adsorption effect on aluminum, titanium, iron and nickel is explained by the electronegativity of atomic iodine with respect to the energy parameter.

Ключевые слова: энергия активации, фреттинг-коррозия, хемосорбция йода, обрабатываемость металлов, когезионные силы, энергетический параметр

Keywords: activation energy, fretting corrosion, iodine chemisorption, metal machinability, cohesive forces, energy parameter

Введение. В соответствии с кинетической концепцией физико-химической теории прочности основным условием сколько-нибудь значительного облегчения механической обработки металла при его контакте с диэлектрической средой является соизмеримость энергии активации разрушения (энергией атомизации или сублимации L_м) и абсолютных величин энергии хемосорбции (поверхностной химической реакции Q ) [1], т.е. в макроаспекте должно выполняеться условие

ΔG_r =L_м – Q ≥ O ,                                                      (1)

где  ΔG_r – энергетический параметр, определяющий степень компенсации поверхностных связей адсорбента и характеризующий энергетический баланс взаимодействия металла (М) и адсорбата (А). Выражение (1) в микромасштабе отвечает условию минимума энергий смешения атомов М и А (правило Щукина – Ющенко) [2].При ΔG_r < 0, как правило, наблюдаются коррозионные явления или образование новых фазовых продуктов, что, вообще говоря, исключает возможность проявлений заметных эффектов адсорбционного понижения прочности (а.п.п.) [3,4]. Однако условие ΔG < 0 более благоприятно для эксплуатационных свойств (например, износостойкости и характеристик смазывающей способности) рабочих поверхностей металлических деталей, что иллюстрируют факты повышенной работоспособности пар трения при фреттинг- коррозии и особенно при нормальном механо-химическом износе (пассивации) по сравнению с механической формой абразивного разрушения[5].

Наиболее яркие проявления а.п.п. при обработке в неметаллических средах были обнаружены при действии галоидов на d- металлы (Ti, Fe, Ni и т.д.) [6 – 8].

Экспериментальная часть. В настоящей работе анализируется влияние йода на обрабатываемость простых(легкоплавких)металлов, характеризуемых гораздо слабыми когезионными силами связи, чем переходные металлы.

Таблица 1.

Сопоставление энергетических характеристик взаимодействия и эффективности обработки в системах sp- металлы/йод*

*Ар – работа сверления всухую; коэффициент К характеризует отношение работ сверления всухую и в 5%-ном растворе йода в этиловом спирте

В таблице представлены результаты оценок   согласно критерию (1) в сопоставлении с удельными работами разрушения sp-металлов А_Р при сверлении всухую и в присутствии 5%-ного спиртового раствора йода. Величину Q определяли по формуле[9]

Q = Z_МА |Ф_м - Х_А | ,                                                      (2)

где  Z_МА – число образующихся химических связей между металлом и адсорбатом (в нашем случае Z_МА = 1), Ф_м – работа выхода электрона из металла, Х_А – электроотрицательность частицы адсорбата по Малликену, Х_А=(I_A + E_A)/2, I_A – первый ионизационный потенциал, E_A – сродство к электрону. Как показал анализ, количественные оценки по соотношению (2) удовлетворительно согласуются с опытом и результатами известных более сложных расчетных методик определения энергий полярной химической связи металл – адсорбат.

В литературе отсутствуют сведения о диссоциативной хемосорбции йода на ювенильной поверхности большинства sp – металлов. Учитывая необходимость сравнительно малоинтенсивных режимов резания и низкие температуры при обработке легкоплавких металлов, отсутствие у них d- электронной подсистемы (а следовательно, и характерных каталитических свойств), а также значительно более высокие, чем у переходных элементов, электронодонорные свойства (близкие к электронодонорным характеристикам фазы спиртового растворителя), можно предположить, что диссоциация молекулярного йода при резании в данном случае мало вероятно. Поэтому, при оценках в соотношениях (1) и (2) принимали во внимание значение Х_А = 5,98 эВ для молекул йода и справочные данные по L_м и Ф_м.

Испытания проводили в соответствии с методикой [10] на специально подготовленной установке при постоянных, оптимальным образом выбранных скоростях резания и нагрузках. Для сверления применяли образцы чистых металлов (99,9%) за исключением алюминия (сплав Д16). Величину А_р определяли согласно известному соотношению

 ,                                                         (3)

где  М – крутящий момент, N – полное число оборотов сверла, d – его диаметр, h – глубина резания.

Обсуждение результатов. Из данных таблицы следует, что между значениями А_р  и  ΔG_r существует удовлетворительная корреляция. Наибольшее снижение А_р имеет место в случае свинца, для которого, как видно, положительное значение ΔG_r   минимально. Когда ΔG_r  отрицателен (Zn, Cd) или наоборот, составляет достаточно большую положительную  величину  (Sn),  a. п. п. практически  отсутствует. Значительность адсорбционного эффекта на алюминии, по-видимому, связана с диссоциативной хемосорбцией йода (как и на Ti, Fe, Ni), и, следовательно, в этом случае для оценок ΔG_r можно исходить из электроотрицательности атомарного йода       (6,73 эВ).

Следует заметить, что обнаруживаемое действие йода на обрабатываемость sp-металлов может оказаться значительней, чем органических соединений полярной природы. Так, поверхностно-активное пальмовое масло в меньшей степени интенсифицирует сверление свинца (К=5), чем иод (К=11), несмотря на более сильное понижение крутящего момента.Это указывает на превалирующую роль а.п.п. по сравнению со смазывающим действием среды[11]. Вместе с тем в случае йода следует ожидать и значительного облегчения деформаций металла при холодной обработке давлением.

Рисунок 11 Машинные диаграммы зависимости усилия деформирования от величины абсолютной деформации при осадке свинцовых образцов с использованием различных сред: 1 – вазелиновое масло, 2 – пальмовое масло, 3 – 5%-ный раствор йода в эталоне

Пластифицирующее действие 5%-ного спиртового раствора йода оценивали по изменению деформирующих усилий при свободной осадке цилиндрических свинцовых образцов диаметром 20мм и высотой 30 мм. Испытания проводили на универсальной машине УМЭ-10ТМ при комнатной температуре со скоростью деформирования 50 мм/мин. При осадке осуществляли запись диаграмм “усилие – перемещение”. Перед осадкой  образцы подвергали опрессовке с ɛ=25% (σ_s = 18.5 МПа), которую осуществляли в специальной ванночке, заполненной исследуемым составом. Соответственно наряду с поверхностным (по контактным поверхностям) оценивался и объемный эффект пластифицирования. Как видно на рисунке, применение раствора йода привело к уменьшению деформирующих усилий на 15-20% (при погрешности эксперимента по определению усилий на 10-13 %). Напротив, деформация в среде пальмового масла сопровождается лишь незначительным понижением усилия.

Таким образом, в данной работе, на примере деформации металлов в растворе йода, показана адекватность предлагаемой методики оценки влияния химического взаимодействия на проявление адсорбционного понижения прочности.

Список литературы:

1. Костецкий  Б. И. – Проблемы прочности, 1981, № 3, с. 90.
2. Латыщев  В. Н. Повышение эффективности СОЖ. М., 1975, 88 с.
3. Ле Ван  Зиен. – Автореф. канд. дис. М., 1980, 16 с.
4. Сердюк В. Н. – Автореф  канд. дис. М., 1980, 16 с.
5. Сердюк В. Н., Перцов Н.В – Физ. и хим. обраб. материалов. 1982, №4, с. 73.
6. Щукин Е.Д.-В кн.: Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем. Вып. 13. Киев, 1981, с 46-53.
7. Щукин Е.Д.- Физ.-хим. механика материалов 1976, 12, с. 3.
8. Щукин Е.Д., Полукарова 3.М., Ющенко В. С. И др. – ДАН СССР, 1972, 205, с. 86.
9. Щукин Е. Д., Ющенко В. С.-Физ.-хим. механика материалов, 1966, 2, с. 133.
10. Ющенко В.С., Щукин Е.Д.- VIII Всесоюзная конференция по коллоидной химии и физико-химической механике. Тез. докл Часть II Ташкент, 1983, с. 3, 4.
11. Яковлев В. М., Терентьев В.А.- Деп. ОНИИТЭхим г. Черкассы, № 983хн-Д83, 1983, 19 с.