Ниобий, относящийся к категории редкоземельных металлов, был открыт в 1801 году [1]. Жаропрочные сплавы на основе ниобия используются в авиационных реактивных двигателях для изготовления дисков и неохлаждаемых турбинных лопаток взамен охлаждаемых [2]. В последние годы применяется в атомной энергетике благодаря высокой устойчивости при облучении и сравнительно небольшому захвату тепловых нейронов [3].
По критерию интенсивности контактного взаимодействия пары абразив-металл, оцениваемого по количеству абразивного материала, перенесенного на обработанную поверхность при шлифовании [4], ниобий относится к группе адгезионно активных металлов [5–7], для обработки которых рекомендуется применять абразивные инструменты из карбида кремния, износостойкость которого при микроцарапании в 1,2–8,5 раз выше корунда [8].
Среднее арифметическое содержание кремния на обработанной поверхности ниобия, перенесённого при шлифовании из абразивного инструмента, в 11,5 раз больше, чем на обработанной поверхности железа или кобальта [9, 10].
В общем случае под адгезией понимают все виды межатомного или межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами [11]. Следует ожидать, что в результате такого взаимодействия происходит химическое модифицирование площадок износа зерен карбида кремния при шлифовании ниобия или его сплавов, что является одной из причин износа. Тем не менее, контактное взаимодействие карбида кремния с ниобием исследовано недостаточно.
Цель исследования
Исследование состояния поверхности кристалла карбида кремния после взаимодействия с ниобием в условиях шлифования.
Материал и методы исследования
Шлифование представляет собой процесс массового микрорезания обрабатываемого материала вершинами абразивных зерен, расположенных на рабочей поверхности шлифовального круга. Поэтому контактное взаимодействие зерна с металлом при шлифовании моделировали на единичном кристалле карбида кремния, закрепленном в оправке. В качестве абразивного материала использовали карбид кремния зеленый производства ОАО «Волжский абразивный завод». Оправку вставляли в металлический диск, закрепляли его в планшайбе и устанавливали на шпинделе плоскошлифовального станка 3Г71. Микроцарапание осуществляли на скорости 35 м/с по методике [12, 13]. Первоначальная глубина микроцарапания составляла около 15 мкм.
Поверхность ниобиевого сплава Нб 1 (далее – ниобия) перед микроцарапанием обрабатывали кругом из кубического нитрида бора на бакелитовой связке характеристики 1А1 250 × 20 × 76,2 × 5 ЛКВ30В107100 MB35 м/с ГОСТ Р 53923-2010. Шероховатость поверхности ниобия Ra 0,15 мкм получали выхаживанием.
Состояние рельефа и химический состав обработанной поверхностности исследовали на растровом двухлучевом электронном микроскопе Versa 3D LoVac.
Результаты исследования и их обсуждение
Внешний вид кристалла карбида кремния после микроцарапания ниобия показан на рис. 1а, из которого следует, что практически вся вершина кристалла, контактирующая с ниобием, покрыта налипшим металлом.
Приблизительно под углом 45° к горизонту от вершины кристалла отходит трещина 1. В связи с достаточно высокой адгезионной активностью ниобия при микроцарапании будет формироваться достаточно большая сила резания, прикладываемая к вершине кристалла. Многократное воздействие большой по величине силы резания могло привести к образованию трещины.
По левую и правую стороны трещины произошло скалывание части кристалла (фрагменты 2 и 3).
а 
б
в 
г
Рис. 1. Поверхность карбида кремния после микроцарапания ниобия: а – 131×; б – 3500×; в – 800×; г – 35000×
Направление микроцарапания кристалла (главное движение резания) вертикальное, сверху вниз. В нижней части относительно вершины кристалла образовался массивный налип металла 4, представляющий собой сходящую стружку. Очевидно, что площадка износа кристалла имеет несколько вершин, к одной из которых с левой части кристалла приварилась тонкая стружка 5, изгибающаяся назад относительно главного движения. При увеличении 15000× хорошо различимы отдельные элементы стружки (рис. 1б).
При увеличении 800× (рис. 1в) под налипшим металлом просматривается площадка износа карбида кремния. На отдельных участках площадки износа, покрытой налипшим металлом, видны трещины (рис. 1г), причиной появления которых могут быть как трещины на площадке износа карбида кремния, так и деформации металла.
После обработки поверхности кристалла смесью плавиковой и азотной кислот, сколы на кристалле видны не только по краям трещины 1, примыкающей к вершине, но и со стороны задней поверхности 2 (рис. 2а). Увеличение на данной электронной фотографии несколько больше, чем на рис. 1а, поэтому стала заметнее трещина 1, проходящая через кристалл. Она распространяется и на левую часть кристалла, разделяя его на две части.
а 
б
в 
г
Рис. 2. Поверхность карбида кремния после микроцарапания ниобия и травления:
а – 150×, α=0°; б – 800×, α=0°; в – 6500×, α=0°; г – 500×, α=40°
Ниобий плохо подвергается травлению, поэтому на вершине кристалла присутствуют остатки налипшего металла (рис. 2б), например 3. При увеличении 800× более заметной становится трещина 1 в правом нижнем углу фотографии. В результате хрупкого разрушения карбида кремния при микроцарапании ниобия практически отсутствует площадка износа на вершине кристалл, которая формируется, например, при микроцарапании кобальта [13, 14] или при микроцарапании титана корундом [15, 16]. К остаткам площадки износа можно отнести, например, фрагмент 4. Фрагмент 4 показан на рис. 2в при увеличении 6500×. Более наглядное представление о состоянии вершины кристалла после микроцарапания ниобия дает электронная фотография, полученная при наклоне предметного столика с образцом кристалла на угол α=40° (рис. 2г). Перед наклоном в горизонтальной плоскости образец был повернут вокруг вертикальной оси на угол около120° по часовой стрелке.
В связи с большим разрушением площадки износа на вершине кристалла, были проведены повторные испытания. Первоначальная глубина внедрения вершины кристалла в поверхность ниобия принята на уровне около 15 мкм, и царапание осуществляли без подачи на глубину до полного износа кристалла. О завершении испытаний судили по отсутствию царапин на поверхности образца металла.
Вершина кристалла, полученная после микроцарапания ниобия на новом режиме, показана на рис. 3а. По внешнему виду она существенно отличается от рис. 1а, весьма незначительным количеством налипшего металла, хотя и в том и другом случаях травление металла не осуществляли. Осталась более значительная, чем ранее, относительно ровная поверхность, показанная на рис. 3б.
а 
б
Рис. 3. Поверхность карбида кремния после микроцарапания ниобия на новом режиме:
а – 2000×, α=45°; б – 6500×, α=45°
Особенности поведения ниобия при микроцарапании кристаллом карбида кремния следует рассматривать с позиции электронного строения атома металла.
В Периодической системе химических элементов ниобий находится в VB подгруппе 5 периода. В изолированном состоянии электронная конфигурация атома ниобия – d4s1. При содержании в d-оболочке более двух электронов система стремится посредством s®d-переходов к образованию полузаполненных d5-cостояний. У ниобия в s-состоянии находится около одного электрона на атом, а р-электроны практически отсутствуют. Поэтому основное состояние электронов d4s в наборе флуктуирующих состояний d3sp и d5s0. В соответствии с теорией локализации валентных электронов статистический вес атомов со стабильной электронной конфигурацией СВАСК d5 достаточно высокий, что определяет большую силу связи между атомами ниобия [17].
Несмотря на более высокое значение СВАСК d5 атомов ниобия по сравнению, например, с титаном, атомная активность их остается на достаточно высоком уровне. Это согласуется с результатами расчетов термодинамической вероятности возможных химических реакций d-переходных металлов с карбидом кремния [18].
Обладая определенной адгезионной активностью, усиливающейся в результате структурно-термической активации и образования новых поверхностей в условиях микроцарапания, ниобий налипает на поверхность карбида кремния, что показано на рис. 1. Но атомы ниобия имеют и высокую связующую стабильность. При последующих контактах вершины кристалла с основным металлом во взаимодействие вступает ниобий, налипший на поверхность кристалла. В результате взаимодействия между одноименными атомами, т.е. когезионного взаимодействия, происходит перенос металла, налипшего на вершину кристалла, на поверхность царапины, что подтверждается исследованиями состояния поверхности царапин. Наряду с участками относительно выглаженного рельефа (рис. 4а), имеется достаточно большое количество участков, свидетельствующих об интенсивном адгезионном или когезионном взаимодействии (рис. 4б). В результате адгезионно-усталостных процессов, механического воздействия происходит разрушение площадки износа и вдавливание отдельных кристаллов карбида кремния в поверхность царапины (рис. 4в).
а 
б 
в
Рис. 4. Поверхность царапины:
а – 3500×; б – 5000×; в – 50000×
Глубина царапин в связи с износом вершины кристалла постепенно уменьшается, соответственно снижается количество ниобия переносимого на вершину кристалла, по крайней мере, в виде налипавшей стружки.
Выводы
При микроцарапании ниобия кристаллом карбида кремния на вершине кристалла формируется площадка износа, покрытая налипшим металлом. Металл налипает непосредственно на площадку износа, переднюю и боковые поверхности вершины. На площадке износа металл удерживается силами адгезионного взаимодействия с карбидом кремния и в результате механического закрепления на неровностях поверхности. К передней и боковым поверхностям вершины кристалла налипает стружка, удерживаемая силой адгезии, механического заклинивания в неровностях поверхностей и сцепления с металлом, налипшим на площадку износа.
Налипший металл периодически срывается с вершины кристалла и переносится на поверхность царапины.
В результате механического воздействия и адгезионно-усталостных процессов происходит хрупкое разрушение площадки износа с отделением макро- и микрокристаллов карбида кремния, некоторые из которых переносятся на поверхность царапины. При царапании на глубине 15 мкм возможно раскалывание кристалла.
С уменьшением глубины микроцарапания и снижения силы контактного взаимодействия на вершине кристалла формируется относительно ровная площадка износа с меньшим количеством налипшего металла.
Выполнено при финансовой поддержке гранта РФФИ 14-08-97043
Рецензенты:
Багайсков Ю.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Общетехнические дисциплины» ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, г. Волжский.
Пушкарев О.И., д.т.н., профессор кафедры «Общетехнические дисциплины» ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, г. Волжский.