Том 24 № 4 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Дюрягин А.А., Ардашев Д.В. Исследование взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб при фрезеровании материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом.... 6 Улаханов Н.С., Тихонов А.С., Мишигдоржийн У.Л., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования................................................................................................... 18 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Иванов А.Н. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью.... 33 Амиров А.И., Москвичев Е.Н., Иванов А.Н., Чумаевский А.В., Белобородов В.А. Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У.......................................................................................................... 53 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Ардашев Д.В., Жуков А.С. Исследование взаимосвязи режущей способности инструмента с параметрами акустического сигнала в процессе профильного шлифования.............................................................................. 64 Батаев Д. К-С., Гойтемиров Р.У., Батаева П.Д. Исследования износостойкости и антифрикционных свойств металлополимерных пар, работающих в имитаторе морской воды........................................................ 84 Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Фесенко Э.О. Использование синергетической концепции при определении программы ЧПУ при токарной обработке........................................................................................ 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Новиков В.Ф., Ковенский И.М., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Чаугарова Л.З. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С................................................................................................................................................................ 113 Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304........................ 127 Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Горулева Л.С. Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий.................................................................................. 138 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления......................... 151 Габец Д.А., Марков А.М., Гурьев М.А., Письменный Е.А., Насырова А.К. Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения.................................. 165 Иванов И.В., Юргин А.Б., Насенник И.Е., Купер К.Э. Оценка остаточных напряжений в кристаллических фазах высокоэнтропийных сплавов системы AlxCoCrFeNi.......................................................................... 181 Коростелева Е.Н., Николаев И.О., Коржова В.В. Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок............................... 192 Ерошенко А.Ю. Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Лугинин Н.А., Батаев В.А., Иванов И.В., Шаркеев Ю.П. Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr......................................................................................................... 206 Кутькин О.М., Батаев И.А., Довженко Г.Д., Батаева З.Б. Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований)...................................................................................................................................................................... 219 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 243 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 255 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 07.12.2022. Выход в свет 15.12.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 32,0. Уч.-изд. л. 59,52. Изд. № 239. Заказ 321. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 4 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 4 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Dyuryagin A.A., Ardashev D.V. A study of the relationship between cutting force and machined surface roughness with the feed per tooth when milling EuTroLoy 16604 material produced by the DMD method...................... 6 Ulakhanov N.S., Tikhonov A.G., Mishigdorzhiyn U.L., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The features of residual stresses investigation in the hardened surface layer of die steels after diffusion boroaluminizing............... 18 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Knyazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Ivanov A.N. Development of plasma cutting technique for C1220 copper, AA2024 aluminum alloy, and Ti-1,5Al-1,0Mn titanium alloy using a plasma torch with reverse polarity................ 33 Amirov A.I., Moskvichev E.N., Ivanov A.N., Chumaevskii A.V, Beloborodov V.A. Formation features of a welding joint of alloy Ti-5Al-3Mo-1V by the friction stir welding using heat-resistant tool from ZhS6 alloy....... 53 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Ardashev D.V., Zhukov A.S. Investigation of the relationship between the cutting ability of the tool and the acoustic signal parameters during profi le grinding..................................................................................................... 64 Bataev D. K-S., Goitemirov R. U., Bataeva P. D. Studies of wear resistance and antifriction properties of metalpolymer pairs operating in a sea water simulator........................................................................................................ 84 Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Fesenko E.O. Application of the synergistic concept in determining the CNC program for turning............................................................................................................................................ 98 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Novikov V.F., Kovenskij I.M., Muratov K.R., Venediktov A.N., Chaugarova L.Z. The effect of heat treatment on the formation of MnS compound in low-carbon structural steel 09Mn2Si................................ 113 Burkov А.А., Krutikova V.O. Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface...................... 127 Pugacheva N.B., NikolinYu.V., BykovaT.M., Goruleva L.S. Chemical composition, structure and microhardness of multilayer high-temperature coatings..................................................................................................................... 138 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Synthesis of a three-component aluminum-based alloy by selective laser melting............................................................... 151 Gabets D.A., MarkovA.M., Guryev M.A., Pismenny E.A., NasyrovaA.K. The effect of complex modifi cation on the structure and properties of gray cast iron for tribotechnical application..................................................... 165 Ivanov I.V., Yurgin A.B., Nasennik I.E. Kuper K.E. Residual stress estimation in crystalline phases of highentropy alloys of the AlxCoCrFeNi system........................................................................................................... 181 Korosteleva E.N., Nikolaev I.O., Korzhova V.V. Features of the structure formation of sintered powder materials using waste metal processing of steel workpieces................................................................................. 192 EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Luginin N.A., Bataev V.A., Ivanov I.V., Sharkeev Yu.P. Effect of deformation processing on microstructure and mechanical properties of Ti-42Nb-7Zr alloy............................................................................................................................................. 206 Kutkin O.M., Bataev I.A., Dovzhenko G.D., Bataeva Z.B. The study of characteristics of the structure of metallic alloys using synchrotron radiation computed laminography (Research Review)................................ 219 EDITORIALMATERIALS 243 FOUNDERS MATERIALS 255 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 18 ТЕХНОЛОГИЯ Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования 1 Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, г. Улан-Удэ, 670047, Россия 2 Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, ул. Ключевская 40В, г. Улан-Удэ, 670013, Россия 3 Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова 83, г. Иркутск, 664074, Россия 4 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия a https://orcid.org/0000-0002-0635-4577, nulahanov@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0002-4917-9916, tihonovalex90@mail.ru, с https://orcid.org/0000-0002-7863-9045, undrakh@ipms.bscnet.ru, d https://orcid.org/0000-0001-9244-225X, ivancivskij@corp.nstu.ru, e https://orcid.org/0000-0002-2273-5329, vah_nikit@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 18–32 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-18-32 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.9.011 История статьи: Поступила: 28 сентября 2022 Рецензирование: 14 октября 2022 Принята к печати: 03 ноября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Химико-термическая обработка (ХТО) Бороалитирование Остаточные напряжения Штамповая сталь Финансирование: Исследование выполнено при финансовом обеспечении гранта Российского Научного Фонда (проект 19-79-10163-П). Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Диффузионное бороалитирование позволяет обеспечить на поверхности штамповых сталей повышенные эксплуатационные свойства, такие как износостойкость, высокая твердость и коррозионная стойкость. Упрочняющие технологии могут вносить значительный вклад в возникновение на поверхности технологических остаточных напряжений. Применительно к диффузионному бороалитированию работы по исследованию напряженного состояния отсутствуют. Цель настоящей работы заключается в разработке метода определения технологических остаточных напряжений (ТОН) в диффузионных слоях на поверхности штамповых сталей 5ХНМ и 3Х2В8Ф после бороалитирования механическим методом и исследование характера их распределения. В работе рассмотрены результаты экспериментальных исследований по определению нормальных компонентов ТОН механическим методом в диффузионных слоях штамповых сталей. Проведенные в рамках данной работы исследования показали, что при рассматриваемых видах химико-термической обработки (ХТО) указанных сталей в целом происходит образование растягивающих ТОН по глубине упрочненного слоя, что является неблагоприятным фактором. Результаты и обсуждения. Рассмотрены основные методы определения ТОН в поверхностном слое после упрочнения методами ХТО инструментальных штамповых сталей 3Х2В8Ф и 5ХНМ. Выявлены проблемы при определении ТОН механическим методом на установке УДИНОН-2, предложено их решение. Показана целесообразность использования метода анодного растворения для непрерывного удаления напряженных слоев с образцов при исследовании ТОН механическим методом на установке УДИОН-2 в образцах после ХТО. Для процесса анодного растворения подобран оптимальный состав электролита, состоящий из NaNO3 – 60 г/л; NaNO2 – 5 г/л; Na2CO3 – 5 г/л; C3H8O3 – 15 г/л; H2O – остальное. Выявлены распределения нормальных компонентов ТОН в диффузионном слое образцов из штамповых сталей. Установлено, что при ХТО указанных сталей в поверхностном слое происходит образование преимущественно растягивающих ТОН. Дальнейшие исследования будут направлены на выработку мер для снижения растягивающих ТОН при диффузионном бороалитировании штамповых сталей. Для цитирования: Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования / Н.С. Улаханов, А.С. Тихонов, У.Л. Мишигдоржийн, В.В. Иванцивский, Н.В. Вахрушев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 18–32. – DOI: 10.17212/19946309-2022-24.4-18-32. ______ *Адрес для переписки Улаханов Николай Сергеевич, м.н.с. Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 6, 670047, г. Улан-Удэ, Россия Тел.: 8 (3012) 43-48-70, e-mail: nulahanov@mail.ru Николай Улаханов 1, 2, a, *, Александр Тихонов 3, b, Ундрах Мишигдоржийн 1, c, Владимир Иванцивский 4, d, Никита Вахрушев 4, e
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 19 TECHNOLOGY Введение Химико-термическая обработка (ХТО) металлов широко используется для повышения механических свойств деталей машин и инструментов [1]. Науглероживание, хромирование и азотирование являются термохимическими процессами, которые улучшают износостойкость и коррозионную стойкость компонентов [2–12]. Одной из эффективных технологий модификации поверхностных слоев штамповых сталей может служить многокомпонентная ХТО, такая, как бороалитирование, позволяющая в значительной мере увеличить сопротивление износу, а также повысить жаростойкость, коррозионную стойкость и ряд других свойств поверхностных слоев деталей машин и инструмента [13–16]. Срок службы изделий после упрочнения в значительной степени зависит от распределения технологических остаточных напряжений (ТОН) в диффузионном слое и прилегающих слоях материала подложки и от общего характера микроструктуры всего участка, измененного в процессе ХТО [8, 17–20]. Контроль и управление ТОН является одной из важнейших задач технологии машиностроения [21, 22]. Следовательно, в разработке Fe-Me-B-покрытий методами диффузионного насыщения на поверхности стальных изделий усилия должны быть направлены на поиск распределений ТОН, улучшающих эксплуатационные свойства изделий. Известно, что исследование напряженно-деформационного состояния (НДС) борированных слоев может осуществляться методами разрушающего и неразрушающего контроля [23–26]. В нашей работе [27] были представлены первые данные по оценке напряженного состояния боридных слоев. В данной работе выполнен обзор методов определения ТОН, которые могут применяться после упрочняющей ХТО, в частности, в Fe-Me-B-покрытиях в поверхностном слое углеродистых и легированных сталей, а также рассмотрены проблемы измерения остаточных напряжений механическим методом и их решение. Представлены результаты экспериментальных исследований по выявлению распределения ТОН в диффузионных слоях инструментальных сталей 3Х2В8Ф и 5ХНМ после высокотемпературного бороалитирования (ВБА). Методика исследований ХТО осуществляли в насыщающих пастах, содержащих порошки карбида бора, алюминия и фторида натрия в качестве активатора следующего состава: 80 % B4C + 16 % Al + 4 % NaF [15]. Образцы с размерами в плане 80×60 мм и толщиной 1,8 мм (рис. 1, а) – из инструментальной стали 5ХНМ и 3Х2В8Ф (см. табл. 1 и 2). После утрамбовки формы удаляли, а полученные брикеты просушивали при температуре 50…100 °С в течение двух часов в сушильной камере. После этого брикеты загружали в предварительно нагретую до температуры обработки печь. Длительность обработки составляла 2 ч, температура – 950 и 1050 °C. Охлаждение образцов проводили вне печи на спокойном воздухе при комнатной температуре. Образец после ХТО представлен на рис. 1, б. Рис. 1. Образцы-пластины Fig. 1. Flat samples а б
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 20 ТЕХНОЛОГИЯ Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав стали 5ХНМ, % мас. Chemical composition of 5CrNiMo steel, wt. % С Si Mn Cr Mo Ni P S Cu не более 0,50…0,60 0,10…0,40 0,50…0,80 0,50…0,60 0,15…0,30 1,40…1,80 0,03 0,03 0,30 Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Химический состав стали 3Х2В8Ф, % мас. Chemical composition of 3Cr2W8V steel, wt. % C Si Mn W V Cr Ni P S Cu не более 0,3…0,4 0,15…0,4 0,15…0,4 8,5…10,0 0,3…0,6 2,2…2,7 до 0,35 0,03 0,03 0,03 Рис. 2. Установка для измерения остаточных напряжений механическим методом УДИОН-2 Fig. 2. Installation for measuring residual stresses by mechanical method (UDION-2) Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе «МЕТАМ РВ-34» с цифровой камерой «Altami Studio». Напряженное состояние боридных покрытий после ХТО измеряли с помощью установки для определения остаточных напряжений УДИОН-2 (рис. 2), разработанной в ИРНИТУ [23–27]. Из исходных образцов-пластин вырезали элементарные образцы-полоски на отрезном станке Discotom-10 фирмы Struers с помощью абразивного дискового отрезного круга с применением обильного охлаждения (рис. 3, a). Вырезку полосок проводили во взаимно перпендикулярном направлении вдоль осей X и Z (рис. 3, б), номинальная длина полосок составляла 60 мм, ширина – 8 мм. После вырезки образцов-полосок измерялись их геометрические параметры (ширина b и толщина h), стрела прогиба и исходная масса. Эти данные необходимы для последующего расчета ТОН. Образцы-полоски монтировались в приспособления установки УДИОН-2 и производилось их электрохимическое травление (анодное растворение) в электролите состава № 3 (табл. 4) с одновременной записью деформации образца в режиме реального времени. После травления образцы демонтировались и повторно взвешивались, по формуле òð 1000 m V S определялась средняя скорость травления. Завершающим этапом являлся расчет ТОН в программе XUdion [28] и построение эпюр распределения ТОН.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 21 TECHNOLOGY Результаты и их обсуждение Проблема исследования технологических остаточных напряжений механическим методом Обозначим проблемы, связанные с измерением остаточных напряжений механическим методом после упрочняющей ХТО. Определение ТОН механическим методом на установке УДИОН-2 [23–28] связано с регистрацией перемещений элементарных образцов-полосок (при измерении остаточных напряжений в пластинах) в процессе удаления напряженных слоев исследуемого материала в функции толщины удаленного слоя. Удаление напряженных слоев с исследуемой поверхности в данной установке реализовано посредствам химического травления – постепенного растворения материала в растворах электролитов. В основном составы электролитов, используемые при химическом травлении, представляют собой комбинацию растворов неорганических кислот с водой. При этом для обеспечения точности и минимизации погрешности измерения необходимо обеспечить следующие параметры качества поверхности в процессе травления: низкую шероховатость, отсутствие питтинга, подтравов под защитным покрытием, ямок, непротравов, а также по возможности добиться постоянства скорости травления на протяжении всего процесса. Для стабильного протекания процесса и установления оптимальной продолжительности эксперимента рекомендуемая скорость травления должна составлять 0,005…0,01 мм/мин. При обработке изделий методами ХТО [1; 13–16] поверхностный слой металла приобретает следующие свойства: – понижение магнитной проницаемости; – увеличение электросопротивления; – увеличение жесткости при кручении; – увеличение твердости; – повышение износостойкости; – повышение коррозионной стойкости, в частности, кислотостойкости. Последнее свойство делает затруднительным исследование ТОН в изделиях, подвергающихся рассматриваемым видам ХТО, по крайней мере, при химическом травлении в кислотных растворах. Для подтверждения этого нами был проведен ряд исследований по химическому травлению тестовых образцов из стали 3Х2В8Ф после бороалитирования в различных составах кислотных электролитов (табл. 3). Тестовые образцы были изготовлены в виде полосок длиной 60 мм, шириной 8 мм и толщиной 1,7 мм. Травлению подвергалась площадь в 80 мм2, для защиты остальной части образца использовали каучуковую эмаль. Травление производилось в малом объеме электролита, не превышающем 200 мл, в термостатирующей ванне установки УДИОН-2 с контролем средней скорости удаления слоев (травления), рассчитываемой по формуле [29] òð 1000 m V S (мм/мин), где Δm – масса удаленного материала, г; S – площадь поверхности, с которой удалялся материал, мм2; а б Рис. 3. Вырезка элементарных образцов-полосок из исходных пластин Fig. 3. Cutting elementary samples-strips from initial plates
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 22 ТЕХНОЛОГИЯ Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Составы электролитов, параметры и результаты химического травления образцов после ХТО Electrolyte compositions, parameters, and results of chemical etching of samples after CTT Номер состава Состав электролита t, °C òð V , мм/мин Комментарий 1 (г/л): HF – 30; Н2SO4 – 150; Н2O – остальное 23 – Признаки травления практически отсутствуют 2 (г/л): HF – 120; Н2SO4 – 590; Н2O – остальное 35 0,0014 Поверхность темно-серая с большими количествами непротравов (рис. 4, a) 3 (% об.): HF – 10; Н2SO4 – 8; HNO3 – 9; H2O – остальное 35 0,0076 Черная рельефная поверхность с мно гочисленными буграми и впадинами небольшого размера (рис. 4, б) 4 (% об.): HCl – 565; HNO3 – 237; NaF – 30; H2O – остальное 37 0,0063 Серая волнистая поверхность с непротравом посередине (рис. 4, в) ρ – плотность материала, г/см3; τ – время испытания (травления), мин. В качестве исходного электролита был взят состав № 1 (табл. 3) [29], данный электролит показал плохой результат, поверхность образца при этом практически не травилась. Состав № 2 получен увеличением концентрации компонентов состава № 1 с повышением температуры раствора. Состав № 3 является модификацией предыдущего состава с добавлением азотной кислоты в качестве окислителя. Состав № 4 ориентирован на химическую размерную обработку сталей [30]. Состояние поверхности образцов после химического травления представлено на рис. 4. а б в Рис. 4. Поверхность образцов в результате химического травления образцов из стали 3Х2В8Ф после ХТО: а – состав № 2; б – состав № 3; в – состав № 4 Fig. 4. The surface of specimens as a result of chemical etching of specimens made of 3Cr2W8V steel after CTT: a – composition No. 2; б – composition No. 3; в – composition No. 4
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 23 TECHNOLOGY Как видно из экспериментов, химическое травление не дает приемлемых результатов, поэтому для послойного удаления материала с образцов, обработанных ХТО, при исследовании ТОН на установке УДИОН-2 было предложено применить электрохимическое травление, в частности, анодное растворение. Удаление материала при электрохимической обработке происходит под действием электрического тока в среде электролита. В основе процесса электрохимической обработки лежит явление анодного растворения металлов. Анодное растворение может протекать в электролитах разного состава, в том числе и неагрессивных – водных растворах солей, которые дешевы и безвредны [31, 32] по сравнению с кислотными. Под действием электрического тока в электролите материал анода, коим является исследуемый образец, растворяется в виде продуктов обработки. Катод при этом не изнашивается, что является одной из положительных особенностей процесса. В результате реакций на катоде происходит выделение водорода, на аноде – осадка в виде нерастворимого гидроксида металла и кислорода. Нерастворимый гидроксид зашламляет электролит и снижает производительность процесса. В связи с этим необходимо предусмотреть процессы регенерации и очистки электролита от продуктов реакции (отстаивание, фильтрация, декантация). Для отработки процесса, параметров и состава электролита был проведен ряд исследований по анодному растворению образцов из стали 3Х2В8Ф после ХТО (табл. 4). Для этого в термостатирующую ванну установки УДИОН-2 была помещена электрохимическая ячейка (рис. 5), состоящая из химического стакана на 250 мл, свинцового катода, к которому подведен отрицательный вывод источника тока, и анода-образца, подключенного к положительному выводу источника. В качестве источника питания электрохимической цепи был использован лабораторный источник постоянного тока Mastech HY3010 с регулировкой выходного напряжения в диапазоне Т а б л и ц а 4 Ta b l e 4 Составы электролитов, параметры и результаты электрохимического травления (анодного растворения) образцов после ХТО Electrolyte compositions; parameters, and results of electrochemical etching (anodic dissolution) of samples after CTT Номер состава Состав электролита t, °C Плотность тока j, А/дм2 Напряжение U, В òð, V мм/мин Комментарий 1 (% вес.): KNO3 – 12; NaF – 2; NaCl – 1; H2O – остальное 30 75 5 0,0062 Поверхность темно-серая, гладкая, ровная в центре, по краям небольшая волнистость (рис. 6, a) 2 (% вес.): H3PO4 – 49,5; Н2SO4 – 40; H2O – остальное 32 100 8,5 0,007 Поверхность фактурная светлая с металлическим блеском, случай электролитического полирования (рис. 6, б) 3 (г/л): NaNO3 – 60; NaNO2 – 5; Na2CO3 – 5; C3H8O3 – 15; H2O – остальное 30 100 10 0,0056 Поверхность темно-серая, матовая ровная, гладкая с единичными незначительными микро выступами (рис. 6, в)
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1