Том 25 № 3 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, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, 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 реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/ Д16/АМг3............................................................................................................................................................ 6 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов.................................................................................................... 19 Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией.......................................................................................................... 36 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тратия Д.K., Шеладия М.В., Ачарья Г.Д., Ачарья Ш.Г. Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии............................................................................................................................................................ 50 Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки............................. 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Руктуев А.А., Юргин А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB.................................................................................................................................... 87 Майтаков А.Л., Грачев А.В., Попов А.М., Ли С.Р., Ветрова Н.Т., Плотников К.Б. Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением................................... 104 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи........................................ 117 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Коржова В.В., Фирсина И.А., Кривопалов В.П. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков......................................................... 126 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута..................................... 137 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 152 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 163 Корректор Е.Е. Татарникова 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 06.09.2023. Выход в свет 15.09.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,5. Уч.-изд. л. 38,13. Изд. № 167. Заказ 245. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 3 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.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 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 Aff airs, 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. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; 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. 3 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Salikhyanov D.R., Michurov N.S. Simulation of the rolling process of a laminated composite AMg3/ D16/AMg3.......................................................................................................................................................... 6 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes.......................................................................................................................................................... 19 Salikhyanov D.R., Michurov N.S. The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation......................................................................................................................... 36 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Tratiya D.K., Sheladiya M.V., Acharya G.D., Acharya S.G. Economical crankshaft design through topology analysis for C type gap frame power press SNX-320.......................................................................... 50 Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing................................................................ 63 MATERIAL SCIENCE Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles.................................................. 87 Maytakov A.L., Grachev A.V., Popov A.M., Li S.R., Vetrova N.T., Plotnikov K.B. Study of energy dissipation and rigidity of welded joints obtained by pressure butt welding................................................... 104 Singh S.P., Hirwani C.K. Analysis of mechanical behavior and free vibration characteristics of treated Saccharum munja fi ber polymer composite...................................................................................................... 117 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V., Firsina I.A., Krivopalov V.P. Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures.............................................................................. 126 Singh S.P., Hirwani C.K. Free vibration and mechanical behavior of treated woven jute polymer composite............................................................................................................................................................ 137 EDITORIALMATERIALS 152 FOUNDERS MATERIALS 163 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 87 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB Алексей Руктуев 1, a,*, Александр Юргин 1, b, Владислав Шикалов 2, c, Арина Ухина 3, d, Иван Чакин 4, e, Евгений Домаров 4, f, Глеб Довженко 5, g 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, ул. Институтская, 4/1, г. Новосибирск, 630090, Россия 3 Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, ул. Кутателадзе, 18, г. Новосибирск, 630090, Россия 4 Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, пр. Академика Лаврентьева, 11, г. Новосибирск, 630090, Россия 5 Центр коллективного пользования «СКИФ», Институт катализа им Г.И. Борескова СО РАН, Никольский пр., 1, Кольцово, 630559, Россия a https://orcid.org/0000-0002-1325-1533, ruktuev@corp.nstu.ru, b https://orcid.org/0000-0003-0473-7627, yurgin2012@yandex.ru, c https://orcid.org/0000-0002-0491-2803, v.shikalov@gmail.com, d https://orcid.org/0000-0003-1878-0538, auhina181@gmail.com, e https://orcid.org/0000-0003-0529-2017, chak_in2003@bk.ru, f https://orcid.org/0000-0003-2422-1513, domarov88@mail.ru, g https://orcid.org/0000-0003-0615-0643, g.d.dovjenko@srf-skif.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 87–103 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-87-103 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.793.79 История статьи: Поступила: 07 апреля 2023 Рецензирование: 25 апреля 2023 Принята к печати: 11 мая 2023 Доступно онлайн: 15 сентября 2023 Ключевые слова: Электронно-лучевая наплавка Борид хрома CoCrFeNiMn Высокоэнтропийный сплав Покрытие Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-00189, https://rscf.ru/ project/22-79-00189/. Благодарности Микроструктурные исследования проведены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (НГТУ), испытания на износостойкость проведены в ЦКП «Механика» (ИТПМ СО РАН). АННОТАЦИЯ Введение. В настоящее время активно ведутся исследования такого нового класса материалов, как высокоэнтропийные сплавы. Одно из направлений их применения – создание защитных покрытий с высоким комплексом эксплуатационных свойств. Высокоэнтропийный сплав состава CoCrFeNiMn обладает высокой пластичностью, сохраняющейся как при повышенных, так и при криогенных температурах, а также высокой термической стабильностью и может рассматриваться в качестве перспективного для создания защитных покрытий. Однако его недостатки – низкая твердость и низкие прочностные характеристики. Известно, что введение упрочняющих частиц является эффективным способом повышения механических свойств покрытий. Предполагается, что введение упрочняющих частиц на основе боридов окажет положительное влияние на механические характеристики высокоэнтропийного сплава CoCrFeNiMn. Целью работы является изучение структурно-фазового состояния и износостойкости покрытий на основе высокоэнтропийного сплава состава CoCrFeNiMn, упрочненного частицами CrB. В работе исследованы покрытия, полученные методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых смесей с различным соотношением массы металлических порошков CoCrNiMn и массы порошка CrB (100:0, 95:5, 90:10, 80:20, 70:30). Для изучения структурно-фазового состава покрытий использовались следующие методы исследования: оптическая микроскопия, растровая электронная микроскопия и рентгенофазовый анализ. Для изучения элементного состава применялся метод микрорентгеноспектрального энергодисперсионного анализа. Механические свойства оценивались по результатам измерения микротвердости покрытий. Износостойкость покрытий определяли в условиях сухого трения скольжения при возвратно-поступательном движении. Результаты и обсуждение. Введение порошка CrB в состав наплавляемой смеси приводит к формированию эвтектических структур. При введении в наплавочную смесь 5 масс. % CrB в покрытии формируется доэвтектическая структура. Увеличение количества CrB приводит к формированию покрытий с заэвтектической структурой, содержащей первичные бориды. Основными фазами, выявляемыми в составе покрытий, являются ГЦК-твердый раствор, бориды типа (Cr,Mn,Fe)2B, (Ni,Co,Mn)2B, а также CrB. Для всех исследуемых покрытий характерен адгезионный механизм изнашивания. Введение в состав порошковой смеси 20 и 30 % CrB приводит к повышению износостойкости покрытия на основе высокоэнропийного сплава в 3,6 и 6,1 раза соответственно. Для цитирования: Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB / А.А. Руктуев, А.Б. Юргин, В.С. Шикалов, А.В. Ухина, И.К. Чакин, Е.В. Домаров, Г.Д. Довженко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 87–103. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-87-103. ______ *Адрес для переписки Руктуев Алексей Александрович, к.т.н., доцент Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, 630073, г. Новосибирск, Россия Тел.: +7 (383) 346-06-12, e-mail: ruktuev@corp.nstu.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 88 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Введение Интенсивный износ изделий, работающих в условиях трения, повышенных температур и агрессивных сред является одной из проблем эксплуатации машиностроительного оборудования. Для обеспечения долговременной работы материалы, эксплуатирующиеся в подобных условиях, должны обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, а также вязкостью разрушения. Традиционно применяемые материалы на основе металлических сплавов, керамик или интерметаллидов не всегда могут обеспечить необходимый уровень эксплуатационных свойств. В последние 15 лет активно исследуется новый подход, основанный на сплавлении нескольких элементов с концентрацией каждого 5–35 ат. % [1, 2]. Такие материалы за счет высокой конфигурационной энтропии получили название высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). Подобный подход приводит к практически безграничному количеству возможных композиций сплавов. В исследованиях [3–6] отмечается, что ВЭС могут обладать комплексом высоких физических и механических свойств, таких как большая прочность при повышенных и криогенных температурах, высокая пластичность, хорошая коррозионная стойкость и износостойкость. В то же время следует отметить, что в состав ВЭС входит большое количество дорогостоящих элементов, что приводит к высокой стоимости сплавов. Эффективным решением проблемы стоимости и одновременного повышения эксплуатационных характеристик изделий является формирование на их поверхностях защитных слоев, свойства которых выгодно отличаются от свойств основного материала. Отмеченные выше особенности ВЭС позволяют рассматривать их в качестве перспективных материалов для создания защитных покрытий [7, 8]. Для создания конструкционных покрытий из высокоэнтропийных сплавов могут применяться различные технологии, такие как лазерная наплавка [9–11], плазменное напыление [12, 13] и другие [7]. В настоящей работе для формирования покрытий был использован метод вневакуумной электронно-лучевой наплавки [14], который ранее успешно применялся для формирования защитных покрытий на нержавеющих сталях [15, 16], титане [17] и низкоуглеродистых сталях [18–20]. Одним из хорошо изученных высокоэнтропийных сплавов является сплав состава CoCrFeNiMn [21–26], также известный как сплав Кантора. Он характеризуется высокой пластичностью [27], сохраняющейся как при повышенных, так и при криогенных температурах, а также высокой термической стабильностью, но низкими прочностными характеристиками. Для повышения комплекса механических свойств сплава CoCrFeMnNi могут применяться различные подходы, основанные на холодной пластической деформации [28], термомеханической обработке, оптимизации элементного состава сплава [29] и введении дополнительных элементов, например алюминия или ванадия [30, 31]. Другой подход к повышению свойств заключается в получении сплавов или покрытий с композиционной структурой, состоящей из высокоэнтропийной матрицы, упрочненной керамическими частицами. В настоящее время опубликованы работы, в которых в качестве упрочняющих частиц использованы карбиды TiC [9, 10, 32], SiC [33], WC [34], оксиды и нитриды [35]. В отмеченных работах показано, что создание композиционной структуры позволяет эффективно повышать прочностные и триботехнические свойства высокоэнтропийных сплавов. Еще одним типом частиц, позволяющих повысить твердость и износостойкость материалов, являются бориды [36, 37]. Однако следует отметить, что вопрос влияния борсодержащих соединений на структуру и свойства высокоэнтропийных сплавов исследован не так обширно. Цель работы заключается в изучении структурно-фазового состояния покрытий на основе высокоэнтропийного сплава состава CoCrFeNiMn, упрочненного частицами CrB, а также влияния боридов на уровень износостойкости упрочненных слоев. Методика исследований Образцы с покрытиями были получены методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-6М в ИЯФ СО РАН. В качестве материала основы были взяты заготовки из стали 20 размером 100×50×10 мм. Для формирования
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 89 MATERIAL SCIENCE покрытий использовалась порошковая смесь, состоящая из порошков металлов (Co, Cr, Ni, Mn), порошка борида хрома и порошка флюса. В качестве флюса для защиты ванны расплава от взаимодействия с атмосферой использовали порошок CaF2. Порошки металлов технической чистоты предварительно смешивали в эквиатомном соотношении. Для получения серии экспериментальных образцов были подготовлены смеси с различным соотношением смеси металлических порошков CoCrNiMn к порошку CrB по массе (100:0, 95:5, 90:10, 80:20, 70:30). Соотношение масс наплавляемых порошков и флюса было постоянным и составляло 7:3. Следует отметить, что порошок железа в состав смеси не вводился; железо в покрытие поступало при плавлении материала основы. Составы использованных порошковых смесей представлены в табл. 1. Подготовленная смесь наносилась на поверхность стальной заготовки с поверхностной плотностью 0,8 г/см2. Основные технологические режимы процесса наплавки, влияющие на плотность энергии, Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Составы порошковых смесей для наплавки Compositions of surfacing powder mixtures № Наплавляемые порошки, масс. % Флюс, масс. % 1 CoCrNiMn 70 % CaF2 30 % 2 (CoCrNiMn : CrB 95:5) 70 % 3 (CoCrNiMn : CrB 90:10) 70 % 4 (CoCrNiMn : CrB 80:20) 70 % 5 (CoCrNiMn : CrB 70:30) 70 % Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Технологические режимы наплавки Technological modes of surfacing № Состав Ток пучка, мА Ускоряющее напряжение, МВ Скорость перемещения, см/сек Плотность энергии, КДж/см2 1 CoCrNiMn 25 1,4 1,5 4,67 2 CoCrNiMn : CrB 95:5 25 3 CoCrNiMn : CrB 90:10 26,5 4,95 4 CoCrNiMn : CrB 80:20 26,5 5 CoCrNiMn : CrB 70:30 26,5 представлены в табл. 2. Скорость перемещения заготовки и ток пучка электронов были подобраны таким образом, чтобы обеспечить эквиатомный состав покрытия типа Co-Cr-Fe-Ni-Mn, не содержащего частиц CrB (режим 1). В режимах 3, 4 и 5 ток пучка электронов был повышен, чтобы компенсировать возрастание температуры плавления порошковой смеси. Микроструктура покрытий исследовалась на поперечных шлифах, подготовленных по стандартной методике, которая заключается в шлифовании на абразивной шкурке с постепенным снижением размера абразивных частиц с P180 до P4000 и финишном полировании с применением суспензии оксида алюминия с размером частиц 0,3 мкм. Для выявления структуры выполнялось химическое травление раствором, состоящим из 10 мл HNO3 + 10 мл HF + 15 мл H2O в течение 10…60 с. Исследование микроструктуры проводилось на оптическом микроскопе Carl Zeiss AxioObserver Z1.m и растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO50 XVP, оснащенном приставкой для микрорентгеноспектрального
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 90 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ энергодисперсионного анализа Oxford Instruments INCA X-Act. Исследование фазового состава покрытий проводили с применением рентгеновского дифрактометра Bruker D8 ADVANCE с использованием Cu-Kα-излучения. Дифракционные картины регистрировались в диапазоне углов 2Θ = 15…90° с шагом 0,02°. Время накопления на точку составляло 0,2 с. Расшифровка рентгенограмм проводилась с использованием базы данных ICDD PDF4+. Микротвердость покрытий определялась по методу Виккерса на твердомере WolpertGroup 402 MVD на полированных поперечных шлифах. Нагрузка на индентор составляла 100 г, время приложения нагрузки – 15 с. Износостойкость покрытий оценивалась в условиях сухого трения скольжения при возвратно-поступательном движении. Испытания по схеме «шар – плоскость» проводили в соответствии с рекомендациями стандарта ASTM G133-05 на универсальной машине трения Bruker UMT-2. В качестве контртела использовался шарик диаметром 6,35 мм из сплава ВК-6. Покрытия испытывали при следующих параметрах: нагрузка на контртело – 25 Н, длина перемещения за один цикл – 5 мм, общая длина пути трения – 100 м. Перед испытаниями образцы шлифовали и полировали по методу пробоподготовки для микроструктурных исследований. Объем изношенного материала определяли с помощью оптического профилометра Bruker Contour GT-K1. Результаты и их обсуждение Исследование микроструктуры покрытий В поперечном сечении материалов с покрытиями можно выделить несколько зон, формирование которых является характерным при реализации наплавочных технологий: зона покрытия, зона термического влияния в материале основы и зона основного металла, не подвергнутого значительному нагреву. Толщина наплавленных слоев составила ~1 мм. В структуре всех покрытий при небольших увеличениях четко выявляется дендритная неоднородность (рис. 1). а б в г д Рис. 1. Микроструктура образцов, полученных наплавкой порошковых смесей с различным содержанием CrB: а – 0 % CrB; б – 5 % CrB; в – 10 % CrB; г – 20 % CrB; д – 30 % CrB Fig. 1. Microstructure of the specimens obtained by surfacing the powder mixtures with diff erent CrB content: a – 0 % CrB; б – 5 % CrB; в – 10 % CrB; г – 20 % CrB; д – 30 % CrB
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 91 MATERIAL SCIENCE В покрытии, полученном без добавки CrB, выявляемая дендритная неоднородность связана с перераспределением элементов при кристаллизации, в результате чего междендритное пространство обогащено марганцем и никелем, в то время как в дендритах наблюдается дефицит указанных элементов, однако формируемая при этом структура является однофазной. Детальный анализ структуры покрытия состава CoCrFeNiMn был представлен ранее в работе [38]. Формирование дендритной неоднородности в покрытиях, полученных с добавлением порошка CrB, сопровождается выделением боридных фаз различной морфологии и состава. Следует отметить, что в покрытиях без CrB и с 5 % CrB (здесь и далее использованы масс. %, если не указано иное) (рис. 1, а, б), четко выделяется вертикальная направленность формируемой структуры, что можно объяснить малым количеством центров кристаллизации и высоким градиентом температур, возникающим за счет преимущественного отвода тепла в сторону материала основы. В покрытиях, полученных при содержании 10...30 % CrB (рис. 1, в–д), в структуре выявляются первичные бориды, которые, предположительно, препятствуют формированию направленной структуры при кристаллизации ванны расплава. На рис. 2 представлена микроструктура покрытий, полученных наплавкой смесей с 5 и 10 % CrB. Добавление 5 % CrB приводит к формированию покрытия с доэвтектической структурой, представленной металлической матрицей и мелкодисперсной пластинчатой эвтектикой, расположенной в междендритных областях. Структура покрытий, полученных из смесей, содержащих 10 % CrB, имеет заэвтектическое строение. Происходит образование первичных боридов, в промежутках между которыми образуется пластинчатая эвтектическая структура (рис. 2, б). На рис. 3 приведены карты распределения элементов в покрытии, полученном из смеси, содержащей 10 % CrB. Карта распределения бора не представлена в связи с низкой точностью определения легких элементов методом энергодисперсионного анализа. Из представленного рисунка видно, что концентрация хрома максимальна в кристалле первичного борида и эвтектических боридах, но снижается в металлической матрице. Марганец и железо распределены более равномерно и присутствуют как в боридах, так и в матрице, в то время как никель и кобальт находятся преимущественно в матрице. Увеличение количества CrB в наплавляемой смеси до 20 % и более приводит к существенному изменению структуры покрытия (рис. 4). Главным отличием от ранее рассмотренных покрытий является смена типа формируемой эвтектики с пластинчатой на «скелетную». а б Рис. 2. Микроструктура боридов в покрытиях, полученных наплавкой порошковых смесей с различным содержанием CrB: а – 5 % CrB; б – 10 % CrB Fig. 2. Microstructure of borides in the coatings obtained by surfacing the powder mixtures with diff erent CrB content: a – 5 % CrB; б – 10 % CrB
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 92 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ а б Рис. 4. Микроструктура боридов в покрытиях, полученных наплавкой порошковых смесей с различным содержанием CrB: а – 20 % CrB; б – 30 % CrB Fig. 4. Microstructure of borides in the coatings obtained by surfacing the powder mixtures with diff erent CrB content: a – 20 % CrB; б – 30 % CrB Структура покрытий также представлена первичными боридами, в промежутках между которыми расположены участки образовавшейся эвтектики. Следует отметить, что методами химического травления не удалось выявить межфазных границ между первичными боридами и эвтектическими колониями. Таким образом, эвтектика «срастается» с первичными боридами, что отчетливо видно на рис. 4, б. Отмеченная выше смена морфологии эвтектических боридов, предположительно, связана с изменением их состава и типа кристаллической Рис. 3. Распределение элементов в структуре покрытия, полученного наплавкой порошковой смеси с 10 % CrB: а – микроструктура анализируемой области; б – Cr; в – Mn; г – Fe; д – Co; е – Ni Fig. 3. Distribution of elements in the structure of the coating obtained by surfacing the powder mixture with 10 % CrB: a – microstructure of the analyzed region; б – Cr; в – Mn; г – Fe; д – Co; е – Ni а б в г д е
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 93 MATERIAL SCIENCE решетки. В табл. 3 представлены результаты элементного анализа боридов эвтектики. Видно, что при добавлении 5 и 10 % CrB основным элементом в составе боридов является хром (табл. 3 и рис. 3). Увеличение доли боридов в наплавляемой смеси свыше 10 % приводит к изменению элементного состава эвтектических боридов: основным элементом в них становится Ni, а доля хрома снижается до 3–4 % (табл. 3, рис. 5). Отмеченные изменения элементного состава приводят к смене типа кристаллической решетки, что будет показано далее при обсуждении данных рентгенофазового анализа. Кроме того, в центральной части первичных боридов, которые образовались в покрытии, полученном наплавкой смеси, содержащей 30 % CrB, обнаруживаются более темные участки (рис. 4, б). Элементный анализ (рис. 5) показал, что в таких областях концентрация хрома максимальна, в то время как массовая доля других металлов не превышает 3 %. Таким образом, эти области, предположительно, соответствуют Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Элементный состав эвтектических боридов Elemental composition of eutectic borides Количество CrB в смеси, % B, % Cr, % Mn, % Fe, % Co, % Ni, % 5 6,4 24,1 18,5 12,3 19,7 19,0 10 7,2 43,6 15,3 10,2 12,1 11,6 20 4,6 3,4 26,2 5,2 27,0 33,7 30 4,9 3,7 22,2 12,6 24,3 32,3 Рис. 5. Распределение элементов в структуре покрытия, полученного наплавкой порошковой смеси, содержащей 30 % CrB: а – микроструктура анализируемой области; б – Cr; в – Mn; г – Fe; д – Co; е – Ni. Красной рамкой обозначена одинаковая анализируемая область Fig. 5. Distribution of elements in the structure of the coating obtained by surfacing a powder mixture with 10 % CrB: a – microstructure of the analyzed region; б – Cr; в – Mn; г – Fe; д – Co; е – Ni. The red square denotes the same analyzed region а б в г д е
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1