Том 25 № 4 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 № 4 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Акинцева А.В., Переверзев П.П. Моделирование взаимосвязи силы резания с глубиной резания и объемами снимаемого металла единичными зернами при плоском шлифовании.................................................................................................................... 6 Шарма Ш.С., Йоши А., Раджпут Й.С. Систематический обзор технологий производства металлической пены...................... 22 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей................................................................................................. 36 Старцев Е.А., Бахматов П.В. Влияние режимов дуговой автоматической сварки на геометрические параметры шва стыковых соединений из низкоуглеродистой стали, выполненных с применением экспериментального флюса.............................. 61 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Ци М., Багинский А.Г., Хань Ц., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий.......................................................................................................... 74 Логинов Ю.Н., Замараева Ю.В. Оценка схемы многоканального углового прессования прутков и возможности ее применения на практике................................................................................................................................................................................. 90 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Раджпут Й.С., Шарма А.К., Мишра В.Н., Саксена К., Дипак Д., Шарма Ш.С. Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием.... 105 Чинчаникар С., Гейдж М.Г. Моделирование рабочих характеристик и мультикритериальная оптимизация при токарной обработке нержавеющей стали AISI 304 (12Х18Н10Т) резцами с износостойким покрытием и с износостойким покрытием, подвергнутым микропескоструйной обработке.................................................................................................................................... 117 Гуле Г.С., Санап С., Чинчаникар С. Точение стали AISI 52100 с наложением ультразвуковых колебаний: сравнительная оценка и моделирование с использованием анализа размерностей.................................................................................................... 136 Пивкин П.М., Ершов А.А., Миронов Н.Е., Надыкто А.Б. Влияние формы тороидальной задней поверхности на углы режущего клина и механические напряжения вдоль режущей кромки сверла.................................................................................. 151 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Мамадалиев Р.А. Влияние внутренних напряжений на интенсивность коррозионных процессов конструкционной стали......................................................................................................................... 167 Клименов В.А., Колубаев Е.А., Хань Ц., Чумаевский А.В., Двилис Э.С., Стрелкова И.Л., Дробяз Е.А., Яременко О.Б., Куранов А.Е. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при 3D-печати проволокой................................................................................................................................................. 180 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In situ анализ кристаллической решетки нитридных однокомпонентных и многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термоциклирования............................................................................................................................................... 202 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Гриненко А.В., Колубаев Е.А. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов............................................................................................... 216 Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д., Маторин А.А., Марченко В.Д. Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.................................................................. 232 Бурков А.А., Коневцов Л.А., Дворник М.И., Николенко С.В., Кулик М.А. Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35............................................................................................................ 244 Шарма Ш.С., Хатри Р., Йоши А. Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода.................................................................................... 255 Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А., Добровольский С.В. Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц........................................................................................................................................... 268 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 284 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 295 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 01.12.2023. Выход в свет 15.12.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 37,0. Уч.-изд. л. 68,82. Изд. № 209. Заказ 296. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 4 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. 4 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. 4 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Akintseva A.V., Pereverzev P.P. Modeling the interrelation of the cutting force with the cutting depth and the volumes of the metal being removed by single grains in fl at grinding........................................................................................................................................ 6 Sharma S.S., Joshi A., Rajpoot Y.S. A systematic review of processing techniques for cellular metallic foam production................. 22 Karlina Yu.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Review of modern requirements for welding of pipe high-strength low-alloy steels.......................................................................................................................................... 36 Startsev E.A., Bakhmatov P.V. The infl uence of automatic arc welding modes on the geometric parameters of the seam of butt joints made of low-carbon steel, made using experimental fl ux......................................................................................................................... 61 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Qi M., Baginskiy A.G., Han Z., Bovkun A.S. Milling martensitic steel blanks obtained using additive technologies................................................................................................................................................................................ 74 Loginov Yu.N., Zamaraeva Yu.V. Evaluation of the bars’ multichannel angular pressing scheme and its potential application in practice................................................................................................................................................................................................... 90 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Rajpoot Y.S., SharmaA.K., Mishra V.N., Saxena K., Deepak D., Sharma S.S. Eff ect of tool pin profi le on the tensile characteristics of friction stir welded joints of AA8011.................................................................................................................................................... 105 Chinchanikar S., Gadge M.G. Performance modeling and multi-objective optimization during turning AISI 304 stainless steel using coated and coated-microblasted tools........................................................................................................................................................ 117 Ghule G.S., Sanap S., Chinchanikar S. Ultrasonic vibration-assisted hard turning of AISI 52100 steel: comparative evaluation and modeling using dimensional analysis........................................................................................................................................................ 136 Pivkin P.M., Ershov A.A., Mironov N.E., Nadykto A.B. Infl uence of the shape of the toroidal fl ank surface on the cutting wedge angles and mechanical stresses along the drill cutting edge...................................................................................................................... 151 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Venediktov A.N., Mamadaliev R.A. Infl uence of internal stresses on the intensity of corrosion processes in structural steel....................................................................................................................................................................... 167 Klimenov V.A., Kolubaev E.A., Han Z., Chumaevskii A.V., Dvilis E.S., Strelkova I.L., Drobyaz E.A., Yaremenko O.B., Kuranov A.E. Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing................... 180 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In situ crystal lattice analysis of nitride single-component and multilayer ZrN/CrN coatings in the process of thermal cycling.......................................................................................................................................................................................... 202 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Kniazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Grinenko A.V., Kolubaev E.A. Infl uence of high-energy impact during plasma cutting on the structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys................................................................................................................... 216 Bobylyov E.E., Storojenko I.D., Matorin A.A., Marchenko V.D. Features of the formation of Ni-Cr coatings obtained by diff usion alloying from low-melting liquid metal solutions..................................................................................................................................... 232 Burkov А.А., Konevtsov L.А., Dvornik М.И., Nikolenko S.V., Kulik M.A. Formation and investigation of the properties of FeWCrMoBC metallic glass coatings on carbon steel.......................................................................................................................... 244 Sharma S.S., Khatri R., Joshi A. A synergistic approach to the development of lightweight aluminium-based porous metallic foam using stir casting method........................................................................................................................................................................... 255 Strokach E.A., Kozhevnikov G.D., Pozhidaev A.A., Dobrovolsky S.V. Numerical study of titanium alloy high-velocity solid particle erosion.......................................................................................................................................................................................... 268 EDITORIALMATERIALS 284 FOUNDERS MATERIALS 295 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 216 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов Валерий Рубцов 1, a, *, Александр Панфилов 1, b, Евгений Княжев 1, c, Александра Николаева1, d, Андрей Черемнов 1, e, Анастасия Гусарова 1, f, Владимир Белобородов 1, g, Андрей Чумаевский 1, h, Артём Гриненко 2, i, Евгений Колубаев 1, k 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия 2 ООО «ИТС-Сибирь», г. Красноярск, Северное шоссе, 16а, 660118, Россия а https://orcid.org/0000-0003-0348-1869, rvy@ispms.tsc.ru; b https://orcid.org/0000-0001-8648-0743, alexpl@ispms.ru; c https://orcid.org/0000-0002-1984-9720, clothoid@ispms.tsc.ru; d https://orcid.org/0000-0001-8708-8540, nikolaeva@ispms.tsc.ru; e https://orcid.org/0000-0003-2225-8232, amc@ispms.tsc.ru; f https://orcid.org/0000-0002-4208-7584, gusarova@ispms.ru; g https://orcid.org/0000-0003-4609-1617, vabel@ispms.tsc.ru; h https://orcid.org/0000-0002-1983-4385, tch7av@gmail.com; i https://orcid.org/0009-0002-9511-1303, giga2011@yandex.ru; k https://orcid.org/0000-0001-7288-3656, eak@ispms.tsc.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 216–231 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-216-231 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.791.14 История статьи: Поступила: 26 сентября 2023 Рецензирование: 11 октября 2023 Принята к печати: 18 октября 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: Плазменная резка Титановый сплав ВТ1-0 Макроструктура Алюминиевый сплав Д16АТ Алюминиевый сплав АМг5 Зона термического влияния Изменение механических свойств материала Фи нансирование Результаты получены при выполнении комплексного проекта «Создание производства высокотехнологичного оборудования адаптивной высокоточной плазменной резки цветных металлов больших толщин для металлургической, авиакосмической и транспортной отраслей РФ» (соглашение о предоставлении субсидии от 06.04.2022 № 075-11-2022-012), реализуемого ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке Минобр науки России в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218. Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Плазменная резка различных металлов и сплавов является одним из наиболее производительных процессов получения заготовок, особенно при использовании плазмотронов с обратной полярностью. Применение плазменной резки при получении заготовок больших толщин потенциально позволяет повысить производительность получения заготовок. В отечественной промышленности широко применяется оборудование для плазменной резки зарубежного производства, что ставит задачи по импортозамещению выпускаемых деталей и устройств соответствующими изделиями российских предприятий. По этой причине в настоящее время в Институте физики прочности и материаловедения совместно с предприятием «ИТС-Сибирь» ведется разработка оборудования плазменной резки на токах обратной полярности. При этом для установления особенностей влияния параметров и режимов процесса плазменной резки на структуру металла в зоне реза необходимо проведение сравнительных исследований на различных металлах и сплавах. Цель работы: выявление особенностей влияния высокоэнергетического воздействия на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов при плазменной резке с использованием плазмотрона, работающего на токах обратной полярности. Методами исследований являются оптическая металлография, измерение микротвердости и лазерная сканирующая микроскопия поверхности после плазменной резки. Результаты и обсуждение. Проведенные исследования показывают широкие возможности регулирования параметров процесса плазменной резки алюминиевых сплавов АМг5 и Д16АТ и титанового сплава ВТ1-0. Для использованных в работе сплавов имеются оптимальные значения параметров процесса, отклонения от которых приводят к различным нарушениям качества реза. Сплавы алюминия демонстрируют склонность к существенному разупрочнению в зоне резки, что связано с формированием крупнокристаллической структуры и больших некогерентных выделений вторичных фаз с одновременным обеднением твердого раствора легирующими элементами. Для титановых сплавов характерно проявление закалочных эффектов в зоне реза с повышением значений микротвердости. В поверхностных слоях, несмотря на применение азота в качестве защитного газа, также формируются окислы. Причем в ранее проведенной работе в сплаве ОТ4-1 не отмечается формирования оксидных пленок с высокой твердостью, в то время как в сплаве ВТ1-0 при резке в поверхностных слоях формируются окислы, резко повышающие значения микротвердости материала вплоть до величин порядка 15 ГПа. Такое положение может затруднять механическую обработку титановых сплавов после плазменной резки. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно невысокой величине припуска на дальнейшую механическую обработку после плазменной резки алюминиевых и титановых сплавов. Для цитирования: Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов / В.Е. Рубцов, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, А.В. Гусарова, В.А. Белобородов, А.В. Чумаевский, А.В. Гриненко, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 216–231. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-216-231. ______ *Адрес для переписки Рубцов Валерий Евгеньевич, ведущий научный сотрудник Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, 634055, г. Томск, Россия Тел.: +7 (382) 228-68-63, e-mail: rvy@ispms.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 217 MATERIAL SCIENCE Введение Технологии, основанные на применении плазменного воздействия на материал, широко применяются для обработки изделий [1], модификации поверхности и формирования покрытий [2], напыления [3], в также во многих других областях промышленного производства изделий из металлов, сплавов, керамик, полимеров и др. Высокая плотность энергии плазменной струи позволяет как применять её для материалов с высокой температурой плавления, так и повышать производительность связанных с ней процессов. В частности, высокая мощность плазменной струи позволяет использовать её при получении заготовок для последующего промышленного производства. В современном промышленном производстве плазменная резка наряду с лазерной или гидроабразивной является одним из наиболее часто применяемых методов получения заготовок из металлов и сплавов [4]. Плазменная резка обладает преимуществом в виде высокой производительности и возможности резки листового проката больших толщин [5]. Однако, несмотря на широкую распространенность плазменных технологий, в настоящее время ещё имеется ряд аспектов, требующих дополнительных исследований. К ним относится уменьшение шероховатости поверхности реза [6–8], снижение влияния процесса резки на структуру материала [9–11], а также повышение производительности и точности процесса резки. В отечественной промышленности дополнительной задачей является получение аналогов используемого в настоящее время зарубежного оборудования. Достижение качества реза возможно за счет оптимизации параметров процесса резки [12– 14], основными из которых являются ток и напряжение горения дуги [15–17]. Значительное влияние на процесс резки и качество поверхности реза оказывает и толщина используемого листового проката [18]. Плазменная резка толстолистового проката с использованием плазмотронов прямой полярности потенциально затруднена в связи с износом катодных вставок или температурным режимом работы [19, 20], что особенно важно при растущей потребности в импортозамещении комплектующих. Плазменная резка листового проката на токах обратной полярности имеет большую актуальность и потенциально позволяет получать более качественную поверхность реза. В связи с вышеперечисленным в настоящее время совместно «ИТС-Сибирь» и ИФПМ СО РАН производится разработка современного оборудования для плазменной резки на токах обратной полярности. В данном случае важным является установление влияния энергетического воздействия при плазменной резке, обусловленного параметрами процесса, на морфологию, структуру и механические свойства поверхностных слоёв заготовок. Такие исследования применительно к листовому прокату алюминиевых и титановых сплавов являются целью настоящей работы. Методика исследований Экспериментальные исследования выполнялись на производственном участке в ООО «ИТС-Сибирь» и на экспериментальном оборудовании в ИФПМ СО РАН. Схема процесса плазменной резки приведена на рис. 1, а. Внешний вид установки плазменной резки представлен на рис. 1, б. Установка состоит из рабочего стола, плазмотрона, блока газоподготовки, перемещающегося суппорта и направляющих. В эксперименте использовался плазмотрон с обратной полярностью. Резка алюминиевых сплавов производилась с применением плазмообразующего газа в виде воздуха. В качестве защитного и плазмообразующего газа при резке титанового сплава использовали азот. Резка образцов 1 производилась плазменной струей 2, формируемой за счет горения дуги между водоохлаждаемым электродом 3 и внутренним корпусом плазмотрона, в котором постоянно пропускался поток плазмообразующего газа 4. Для резки титанового сплава применялся защитный газ азот 5, подаваемый во внешнем контуре плазмотрона. Расплавленный металл 6 выдувался из зоны реза потоком газа. В результате резки на поверхности образцов формировалась область термически деградировавшего материала (или зона термического влияния) 7 и слой оплавленного металла (или зона плавления) 8. В качестве экспериментального материала использовался листовой прокат алюминиевых сплавов Д16АТ, АМг5 и титанового сплава
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 218 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 1. Плазменная резка экспериментальных образцов: а – схема процесса резки; б – внешний вид разрабатываемого оборудования для плазменной резки; в – внешний вид поверхности реза алюминиевого сплава Д16АТ; г – внешний вид поверхности реза титанового сплава ВТ1-0; д – снимок процесса резки алюминиевого сплава Д16АТ; е – снимок процесса резки титанового сплава ВТ1-0; 1 – заготовка; 2 – плазменная струя; 3 – водоохлаждаемый электрод; 4 – плазмообразующий газ; 5 – защитный газ; 6 – вытесняемый материал из зоны реза; 7 – зона термического влияния; 8 – зона оплавления поверхности Fig. 1. Plasma cutting of experimental specimens: plasma cutting fl ow diagram (a); general view of developed setup for plasma cutting (б); general view of the cut surface of aluminum alloy AA2124 (в); general view of the cut surface of Grade2 titanium alloy (г); image of the cutting process of aluminum alloy AA2024 (д); image of the cutting process of Grade2 titanium alloy (е); 1 – blank; 2 – plasma jet; 3 – water-cooled electrode; 4 – plasma-supporting gas; 5 – shielding gas; 6 – material displaced from the cutting zone; 7 – heat aff ected zone; 8 – surface melting zone а в г б д е ВТ1-0 толщиной 10 мм. Параметры процесса резки регулировались для достижения различной погонной энергии процесса. Основными параметрами резки являлись ток и напряжение горения дуги, составлявшие 170 А и 125 В соответственно. В качестве регулируемого параметра в основном выступала скорость резки (см. таблицу). После получения экспериментальных образцов из них электроэрозионным методом (станок DK7750) производилась вырезка металлографических шлифов для структурных исследований и выявления особенностей изменения механических свойств приповерхностной зоны. Структурные исследования производились на оптическом микроскопе «Альтами МЕТ 1С» и лазерном сканирующем микроскопе Olympus LEXT 4100. Микротвердость определяли от поверхности реза вглубь образца на металлографических шлифах на приборе Duramin-500.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 219 MATERIAL SCIENCE Режимы плазменной резки листового проката Plasma cutting modes for sheet meta Сплав / Alloy S, мм / S, mm № режима / Mode No. I, А / I, А U, В / U, V V, м/мин / V, m/min E, кДж/м / E, kJ/m АМг5 10 1 170 125 3,4 6,3 АМг5 10 2 170 125 3,0 7,1 АМг5 10 3 170 125 2,7 7,9 АМг5 10 4 170 125 3,7 5,7 АМг5 10 5 170 125 4,1 5,2 Д16Т 10 1 170 125 4,2 5,1 Д16Т 10 2 170 125 3,8 5,6 Д16Т 10 3 170 125 3,3 6,4 Д16Т 10 4 170 125 4,6 4,6 Д16Т 10 5 170 125 5,0 4,3 ВТ1-0 10 1 170 125 4,1 5,2 ВТ1-0 10 2 170 125 3,4 6,3 ВТ1-0 10 3 170 125 3,0 7,1 ВТ1-0 10 4 170 125 2,7 7,9 ВТ1-0 10 5 170 125 2,4 8,9 Результаты и их обсуждение Плазменная резка образцов алюминиевых и титановых сплавов приводит к формированию на поверхности специфического рельефа, оконтуривающего течение расплавленного металла, который вытесняется потоком газа из полости реза [18]. В условиях резки образцов сплава АМг5 толщиной 10 мм такое положение приводило к формированию в нижней части реза характерного рельефа (рис. 2, в, е). Расстояние между выступами над поверхностью реза составляло около 200 мкм, величина выступов – до 180–200 мкм. В центральной и верхней частях области реза рельеф был более хаотичен и характеризовался большим размером неровностей. Величина выступов над поверхностью достигала более 450–500 мкм. Значимых отличий в строении поверхности реза на различных режимах не выявлено, для большинства образцов продемонстрированные на рис. 2 особенности строения поверхности реза сохраняются. При резке образцов сплава Д16АТ по использованным режимам на поверхности не наблюдалось образования регулярного рельефа (рис. 3). Строение поверхности реза в верхней, центральной и нижней частях реза являлось достаточно близким. Величина выступов над поверхностью реза составляла до 400–450 мкм. Такая структура также характерна для большинства режимов и от одного образца к другому изменяется несущественно. При резке образцов сплава ВТ1-0 происходило формирование более плавного рельефа на поверхности реза (рис. 4). Величина неровностей над поверхностью реза составляла в среднем до 200 мкм. Отличия в морфологии поверхности реза в верхней, нижней и средней частях реза хотя и имеются, но связаны больше с ориентацией элементов рельефа, чем с величиной неровностей. Структура образцов сплава АМг5 (рис. 5) в поверхностных слоях после резки представлена в основном зоной оплавленного металла (ЗП) и зоной термического влияния (ЗТВ), постепенно переходящей в зону основного металла (ОМ). Величина макроискажений поверхности реза изменяется в зависимости от режима. Наименьшее искажение (до 1000–1200 мкм) характерно для образцов, полученных в режиме № 2 при относительно невысокой (3,0 м/мин) скорости резки и выше среднего (7,1 кДж/м) энерговложении при резке (рис. 5, а–д). Повышение скорости резки от указанных значений приводит к значительному снижению качества реза, а снижение скорости резки не приводит к повышению точности реза. Величина зоны плавления находится на достаточно низком уровне и не превышает 150 мкм от поверхности реза (рис. 5, ж, з).
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1