Том 25 № 1 2023 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, 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 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 Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативно-библиографических и наукометрических базах данных Web of Science и Scopus. WEB OF SCIENCE
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Рябошук С.В., Ковалев П.В. Анализ причин образования дефектов заготовок из стали 12X18H10T и разработка рекомендаций по их устранению............................................................................................... 6 Лапшин В.П., Моисеев Д.В. Определение оптимального режима обработки металлов при анализе динамики систем управления резанием........................................................................................................ 16 Гимадеев М.Р., Ли А.А., Беркун В.О., Стельмаков В.А. Экспериментальное исследование динамики процесса механообработки концевыми сфероцилиндрическими фрезами.................................................. 44 Братан С.М., Часовитина А.С. Моделирование взаимосвязей между входными факторами и выходными показателями процесса внутреннего шлифования с учетом взаимных колебаний инструмента и заготовки.......................................................................................................................................................... 57 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подгорный Ю.И., Кириллов А.В., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В. Синтез механизма привода технологической машины непрерывного действия......................................... 71 Лобанов Д.В., Рафанова О.С. Методика критериального анализа мультивариантных систем............... 85 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э., Попов Р.А. Особенности формирования диффузионных покрытий, полученных комплексной химико-термической обработкой конструкционных сталей......................... 98 Филиппов А.В., Хорошко Е.С., Шамарин Н.Н., Колубаев Е.А., Тарасов С.Ю. Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства................................................................................................................................ 110 Лысых С.А., Корнопольцев В.Н., Мишигдоржийн У.Л., Хараев Ю.П., Тихонов А.Г., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей..................................................................... 131 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 149 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 159 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 10.03.2023. Выход в свет 15.03.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,0. Уч.-изд. л. 37,2. Изд. № 46. Заказ 91. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 1 2023 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. 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 Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. 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. WEB OF SCIENCE
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 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; 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. 25 No. 1 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Ryaboshuk S.V., Kovalev P.V. Analysis of the reasons for the formation of defects in the 12-Cr18-Ni10-Ti steel billets and development of recommendations for its elimination............................................................... 6 Lapshin V.P., Moiseev D.V. Determination of the optimal metal processing mode when analyzing the dynamics of cutting control systems................................................................................................................... 16 Gimadeev M.R., Li A.A., Berkun V.O., Stelmakov V.A. Experimental study of the dynamics of the machining process by ball-end mills.................................................................................................................. 44 Bratan S.M., Chasovitina A.S. Simulation of the relationship between input factors and output indicators of the internal grinding process, considering the mutual vibrations of the tool and the workpiece................... 57 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Podgornyj Yu.I., KirillovA.V., Skeeba V.Yu., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V. Synthesis of the drive mechanism of the continuous production machine......................................................................... 71 Lobanov D.V., Rafanova O.S. Methodology for criteria analysis of multivariant system................................ 85 MATERIAL SCIENCE Sokolov A.G., Bobylyov E.E., Popov R.A. Diffusion coatings formation features, obtained by complex chemical-thermal treatment on the structural steels............................................................................................ 98 Filippov A.V., Khoroshko E.S., Shamarin N.N., Kolubaev E.A., Tarasov S.Yu. Study of the properties of silicon bronze-based alloys printed using electron beam additive manufacturing technology................... 110 Lysykh S.A., Kornopoltsev V.N., Mishigdorzhiyn U.L., Kharaev Yu.P., Tikhonov A.G., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The effect of borocoppering duration on the composition, microstructure and microhardness of the surface of carbon and alloy steels............................................................................................................. 131 EDITORIALMATERIALS 149 FOUNDERS MATERIALS 159 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 110 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства Андрей Филиппов а, *, Екатерина Хорошко b, Николай Шамарин c, Евгений Колубаев d, Сергей Тарасов e Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0003-0487-8382, avf@ispms.ru, b https://orcid.org/0000-0001-9078-5662, eskhoroshko@gmail.com, c https://orcid.org/0000-0002-4649-6465, shnn@ispms.ru, d https://orcid.org/0000-0001-7288-3656, eak@ispms.ru, e https://orcid.org/0000-0003-0702-7639, tsy@ispms.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 1 с. 110–130 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-110-130 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Кремниевые бронзы используются в промышленности для производства изде лий, к которым предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости и износостойкости [1]. В свою очередь, медь и медные сплавы явля- ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 539.51 История статьи: Поступила: 20 января 2023 Рецензирование: 25 января 2023 Принята к печати: 01 февраля 2023 Доступно онлайн: 15 марта 2023 Ключевые слова: Аддитивные технологии Кремниевая бронза Структура Фазовый состав Механические свойства Коррозия Трение Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-00084), https://rscf. ru/project/21-79-00084/. Благодарности: Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов». АННОТАЦИЯ Введение. Аддитивные технологии позволяют сократить затраты на материалы за счет сокращения припусков под окончательную размерную механическую обработку заготовок. Для таких дорогостоящих материалов, как медь и медные сплавы, данный способ является во многом привлекательным с точки зрения повышения ресурсоэффективности при производстве. Эксплуатационные свойства сплава БрКМц 3-1, изготовленного с применением аддитивных технологий, изучены не в полной мере и требуют проведения дополнительных исследований. Целью работы является исследование структурно-фазового состояния, механических и эксплуатационных свойств образцов бронзы БрКМц 3-1, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства. В работе исследованы образцы, изготовленные из проволоки БрКМц 3-1, с разной величиной тепловложения, часть из которых была подвергнута термической и механической обработке, а также образцы, изготовленные с применением мультипроволочной технологии. В работе используются такие методы исследований, как исследование коррозионной стойкости бронзовых образцов с помощью потенциостата, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, испытания на трение и рентгенофазовый анализ. Результаты и обсуждение. Обработка образцов посредством пластической деформации сжатием и последующего отжига привела к наиболее серьезным структурным изменениям. На основе рентгенофазового анализа установлено, что более высокое содержание кремния наблюдается в случае добавки к бронзе силуминов. Исследование механических свойств показало, что наиболее высокими прочностными свойствами обладают образцы, напечатанные с применением мультипроволочной технологии. При проведении трибоиспытаний выявлено колебание величины коэффициента трения, обусловленное схемой проведения эксперимента и комбинированным адгезионно-окислительным механизмом изнашивания образцов. Добавка к бронзе 10 вес.% алюминиевого филамента в процессе аддитивного производства является эффективным средством для повышения устойчивости материала к электрохимической коррозии и повышения его износостойкости. Для цитирования: Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства / А.В. Филиппов, Е.С. Хорошко, Н.Н. Шамарин, Е.А. Колубаев, С.Ю. Тарасов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 110–130. – DOI: 10.17212/1994-6309-202325.1-110-130. ______ *Адрес для переписки Филиппов Андрей Владимирович, к.т.н., зав. лабораторией Институт физики прочности и материаловедения СО РАН пр. Академический 2/4, 634055, г. Томск, Россия Тел.: 8 (999) 178-13-40, e-mail: avf@ispms.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 111 MATERIAL SCIENCE ются достаточно дорогостоящими материалами. Следовательно, разработка методов повышения ресурсоэффективности при производстве изделий из этих материалов является важной научно-технической задачей. В этом направлении технологии аддитивного производства могут предоставить различные варианты по решению задачи сокращения затрат на материалы путем значительного сокращения припусков под окончательную размерную механическую обработку заготовок [2]. В то же время одной из главных проблем аддитивного производства изделий из меди и ее сплавов является окисление межслойных границ, из-за чего существенно ухудшаются физико-механические свойства напечатанных изделий. В связи с этим трехмерную печать следует проводить в условиях действия защитных газов или в вакууме [3]. Важным преимуществом современных аддитивных технологий является возможность управления режимами печати, что позволяет варьировать условия плавления материала в широком температурном диапазоне. Это особенно важно при изготовлении изделий с пространственно-сложной формой и неоднородной толщиной стенок, так как толщина и высота стенки, а также совокупный объем напечатанного материала существенно влияют на условия теплоотвода [4] и соответственно формирование ванны расплава. Проволочная технология электронно-лучевого аддитивного производства осуществляется в вакууме с применением в качестве филамента тонкой проволоки. Такой вид филамента является менее дорогостоящим по сравнению с порошком, что делает эту технологию менее затратной. Кроме того, данная технология позволяет использовать несколько проволок для подачи их в зону печати в различном соотношении. В результате появляется возможность печати новых сплавов с разными легирующими элементами, а также сплавов и композитов из разнородных материалов [5–8]. Технология электронно- лучевого аддитивного производства (ЭЛАП, от англ. Wire-feed electron-beam additive manufacturing, EBAM) активно используется для получения изделий из никелевых жаропрочных сплавов [9–12], интерметаллидных соединений, таких как TiAl [13–15], магнитомягких материалов на ос нове железа [16], алюминиевых сплавов [17, 18], магниевых сплавов [19], а также бронз [20, 21]. В отечественной промышленности наиболее распространенной является кремниевая бронза марки БрКМц 3-1. Она используется в деталях химической промышленности, в авиационной технике, автомобиле- и судостроении. В то же время за рубежом выпускается ее аналог, содержащий ~7 вес.% Al и ~2 вес.% Si. Такой сплав обладает более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с БрКМц 3-1. Следовательно, получение аналогов данного сплава является актуальной задачей. Для её решения можно воспользоваться мультипроволочной технологией электронно-лучевого аддитивного производства, которая реализуется путем добавления в ванну расплава двух и более проволок. В контексте получения сплавов системы Cu-Al-Si можно воспользоваться алюминиевым филаментом и добавлять его в процессе печати бронзы в соотношении 10:1, что должно обеспечит ь требуемый состав сплава. Ранее технология электронно-лучевого аддитивного производства успешно применялась для получения образцов из сплава БрКМц 3-1 [22] и сплава системы CuAl-Si-Mn [23]. Однако в известных на сегодняшний день работах эксплуатационные свойства этого сплава, изготовленного с применением аддитивных технологий, исследованы не в полной мере. Остаются неизученными также свойства сплавов, напечатанных на основе кремниевой бронзы с добавлением алюминиевого филамента. Цель работы состоит в исследовании структурно-фазового состояния, механических и эксплуатационных свойств образцов бронзы БрКМц 3-1, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства. Методика исследований Для проведения экспериментальных исследований методом электронно-лучевого аддитивного производства были изготовлены образцы в виде тонк их стенок (рис. 1). Первая часть образцов была изготовлена из проволоки БрКМц 3-1 (C65500) с разной величиной тепловложения: режим 1 – 0,19 кДж/мм, режим 2 – 0,25 кДж/мм, режим 3 – 0,31 кДж/мм. Часть из этих образцов с наиболее крупнозерни-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 112 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ стой структ урой была подвергнута термической (отжиг при температуре 850 °С) и механической обработке (деформация сжатием на 10 % и последующий отжиг при 850 °С) для успешного изменения структурного состояния. Более подробная информация о режимах обработки и структурном состоянии этих образцов приведена в работе [22]. Вторая часть образцов была изготовлена с применением мультипроволочной технологии. Этот подход использовался для изменения состава образцов и оценки возмо жности управления их структурой и свойствами, а также получения сплава системы Cu-Al-Si с составом, близким к зарубежным аналогам (сплав C64200), использующимся в авиационной и морской технике. Для этого в ванну расплава направляли две проволоки: первая из БрКМц 3-1 – являлась базовой во всех случаях, а вторая – из добавочного сплава. В качестве добавок использовались технически чистый алюминий (99 % Al), а также сплавы АК5(AlSi5) и АК12(AlSi12). Соотношение скорости подачи проволок подбиралось таким образом, чтобы обеспечить добавление в сплав БрКМц 3-1 10 весовых процентов алюминия. В результате были получены три сплава: БрКМц Рис. 1. Схема электронно-лучевого аддитивного производства и вырезки образцов для исследований: 1 – напечатанный материал; 2 – подложка; 3 – направление подачи про волоки; 4 – податчик проволоки; 5 – направление печати; 6 – электронный луч; 7 – образцы для испытаний на растяжение; 8 – образцы для испытаний на трение и коррозионную стойкость Fig. 1. Scheme of electron beam additive manufacturing and cut-up sketch: 1 – printed material; 2 – substrate; 3 – wire feed direction; 4 – wire feeder; 5 – printing direction; 6 – electron beam; 7 – tensile test specimens; 8 – friction and corrosion resistance test specimen 3-1 + 10 вес. % Al; БрКМц 3-1 + 10 вес. % АК5; БрКМц 3-1 + 10 вес. % АК12. Подробнее методика печати образцов изложена в работе [23]. Исследование коррозионной стойкости бронзовых образцов выполнено с помощью потенциостата Electrochemical Instruments P-45X путем проведения потенциодинамических испытаний по трехэлектродной схеме. В качестве коррозионно-активной среды использовался водный раствор 3,5 % NaCl. В результате получены поляризационные кривые, отражающие изменение потенциала и тока коррозии. Поляризационное сопротивление рассчитано на основе уравнения Батлера–Фольмера: corr / 2, 303 ( ) ( ) , a c a c Rp i где βa – наклон анодной ветви; βc – наклон катодной ветви; icorr – ток коррозии. Потеря массы образцов оценивалась с помощью аналитических весов Sartorius CP124S. Состояние поверхности бронзовых образцов после исследования коррозионной стойкости выполнялось с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа Olympus OLS-4100. Для выполнения качественной и количественной оценки характера коррозионных поврежде-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 113 MATERIAL SCIENCE ний поверхности получены оптические изображения и оценена шероховатость. Трение осуществлялось на трибометре Tribotechnic по схеме шарик-диск в условиях возвратно-поступательного сухого трения скольжения. В качестве образцов использовались пластины, вырезанные из напечатанных бронзовых стенок (см. рис. 1, поз. 8). В качестве контртел использовались шарики из закаленной стали ШХ15. Исследование поверхности образцов бронзы и шариков после трения, а также измерение профиля сечения дорожек износа осуществлялись с помощью конфокального лазерного сканирую щего микроскопа Olympus OLS-4100. Микротвердость измерялась с помощью твердомера Duramin-5 при нагрузке 50 Н. Оценка механических свойств при растяжении выполнена на испытательной машине Testsystem 110M-10. Исследование фазового состава бронзовых образцов проводилось на рентгеновском дифрактометре ДРОН-7. Элементный состав определялся с помощью энергодисперсионного спектрального (ЭДС) анализа Octane Elect на растровом электронном микро скопе Thermo Fisher Scientifi c Apreo S LoVac. Металлографические исследования структуры бронзовых образцов выполнены с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа Olympus OLS-4100. Результаты и их обсуждение Металлографические исследования структуры образцов Изменение режимов печати закономерно сказалось на структуре образцов. По мере увеличения тепловложения происходит рост размеров зерна и изменяется их форма. При минимальном тепловложении (0,19 кДж/мм) формируется бимодальная структура с небольшими вытянутыми и равноосными зернами (рис. 2, а). При среднем тепловложении (0,25 кДж/мм) формируются зерна зигзагообразной формы (рис. 2. б), а при наи- а б в г д Рис. 2. Типичная микроструктура образцов, напечатанных из бронзы БрКМц 3-1. Режимы печати: 1 (а), 2 (б) и 3 (в); образцы после отжига (г), а также деформации и последующего отжига (д) Fig. 2. Typical microstructure of specimens printed from C65500. Printing modes: 1 (a), 2 (б) and 3 (в); specimens after annealing (г), as well as after deformation and subsequent annealing (д)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 114 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ большем (0,31 кДж/мм) – крупные столбчатые зерна (рис. 2, в). В результате отжига образцов с изначально столбчатыми зернами произошли изменения в структуре. Столбчатые зерна преобразовались в крупные неравноосные, а также сформировалось большое количество двойников отжига (рис. 2, г). Обработка образцов посредством пластической деформации сжатием и последующим отжигом привела к наиболее серьезным структурным изменениям. В результате сформировались небольшие равноосные зерна с большим количеством двойников отжига (рис. 2, д). Изменение структурного состояния образцов обусловлено различиями в температурном градиенте. При низком тепловложении скорость кристаллизации увеличивается и в результате формируется более мелкозернистая микроструктура. В свою очередь, отжиг, а также деформация и последующий отжиг приводят к рекристаллизации материала [24, 25]. В результате печати сплава БрКМц 3-1 с добавлением 10 вес.% Al сформирова лась мелкозернистая структура почти с равноосными зернами размером 25…125 мкм (рис. 3, а). Также наблюдаются двойники отжига и включения вторичной фазы. При печати с добавлением сплавов АК5 и АК 12 структура образцов выглядит иначе. В обоих случаях сформировалась дендритная структура (рис. 3, б, в). Дендриты образуются в направлении выращивания стенок, а в междендритном пространстве находятся прослойки вторичной фазы толщиной 3…15 мкм. XRD и ЭДС анализ фазового состава образцов На основе рентгенофазового анализа установлено во всех исследуемых образцах основной является α-фаза ГЦК меди (рис. 4). В образцах, напечатанных с добавлением алюминиевых филаментов, также отмечается формирование силицидов железа и кремния. Первые формируются из-за наличия железа в небольшом количестве в составе алюминиевых проволок, а вторые – как следствие неполного растворения кремния в сильнолегированном сплаве. Наблюдаемые с помощью рентгенофазового анализа фазы не дают полного представления о фазовом составе образцов, напечатанных с применением алюминиевых филаментов. Согласно анализу известных фазовых диаграмм [26–31] в сплавах системы Cu-Al-Si могут быть две фазы: α-фаза с ГЦК-решеткой и γ-фаза с ГПУрешеткой. В рассматриваемых образцах на основе ЭДС анализа установлено, что вторичная γ-фаза содержит ~7 ат. % Al; ~(9…10) ат. Si % и ~(0,5…0,6) ат. % Mn, в то время как в α-фазе содержится ~10 ат. % Al; ~(3,5…5) ат. % Si и ~(1,2…1,5) ат. % Mn. Более высокое содержание кремния закономерно наблюдается в случае добавки к бронзе силуминов. Механические свойства образцов Изменение режимов аддитивного производства, применение термической и механической обработки, а также легирование алюминием а б в Рис. 3. Типичная микроструктура образцов, напечатанных из бронзы БрКМц 3-1, с добавлением 10 вес. % Al (а), 10 вес.% АК5 (б) и 10 вес.% АК12 (в) Fig. 3. Typical microstructure of specimens printed from C65500 with the addition of 10 wt.% Al (a), 10 wt.% Al–5Si (б) and 10 wt.% Al-12Si (в)
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 115 MATERIAL SCIENCE Рис. 4. Рентгеновские дифрактограммы для образцов, на печатанных из бронзы БрКМц 3-1 и с добавлением алюмини евого филамента. Режимы печати: 1 (1), 2 (2) и 3 (3); образцы после отжига (4), деформации и последующего отжига (5); образцы с добавлением 10 вес. %Al (6), 10 вес. % АК5 (7) и 10 вес. % АК12 (8) Fig. 4. X-ray diffraction patterns of specimens printed from C65500 and with the addition of aluminum fi lament. Printing modes: 1 (1), 2 (2) and 3 (3). Specimens after annealing (4), deformation and subsequent annealing (5). Specimens with the addition of 10 wt.% Al (6), 10 wt.% Al–5Si (7) and 10 wt.% Al-12Si (8) путем использования мультипроволочной технологии позволили получить образцы не только с разной структурой, но и механическими свойствами. Исходя из результатов механических испытаний на растяжение видно, что наиболее высокими прочностными свойствами обладают образцы, напечатанные с применением мультипроволочной технологии (табл. 1). Кроме того, в этих образцах, за исключением сплава БрКМц 3-1 с добавлением 10 вес. % Al, наблюдается достаточно высокая пластичность. Следовательно, двухфазная структура образцов, напечатанных с добавлением силуминов АК5 и АК12, является как прочной, так и обладающей существенным ресурсом пластичности. Более подробное исследование прочности рассматриваемых образов представлено в работах [22, 23]. Изменения в структуре материала также отразились и на микротвердости образцов (рис. 5). Термическая обработка ожидаемо снизила микротвердость за счет удаления остаточных напряжений. Как и в случае с прочностью, образцы с двухфазной структурой обладают более высокой твердостью по сравнению с однофазными. Увеличение микротвердости составило 140…215 %. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Механические свойства образцов, напечатанных из бронзы БрКМц 3-1 и с добавлением алюминиевого филамента Mechanical properties of specimens printed from C65500 and with the addition of aluminum fi lament Обозначение образца / Specimen designation Условный предел текучести, МПа / Offset yield strength, MPa Предел прочности, МПа / Ultimate strength, MPa Деформация до разрушения, % / Strain-to-fracture, % БрКМц 3-1 (режим 1) / C65500 (mode 1) 89 242 83 БрКМц 3-1 (режим 2) / C65500 (mode 2) 93 294 75 БрКМц 3-1 (режим 3) / C65500 (mode 3) 82 253 114 БрКМц 3-1 (отжиг) /C65500 (annealing) 92 301 76 БрКМц 3-1 (деформация + отжиг) / C65500 (deformation + annealing) 75 318 91 БрКМц 3-1 с добавлением 10 вес. % Al / C65500 (10 wt.% Al) 203 434 21 БрКМц 3-1 с добавлением 10 вес. % AК5 / C65500 (10 wt.% Al–5Si) 150 394 67 БрКМц 3-1 с добавлением 10 вес. %AК12 / C65500 (10 wt.% Al–12Si) 186 448 57
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1