Том 26 № 3 2024 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, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, 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 26 № 3 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сухов А.В., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Сборка резьбовых и клеерезьбовых соединений с наложением ультразвуковых колебаний.................................................................................................................................................. 6 Барабошкин К.А., Адигамов Р.Р., Юсупов В.С., Кожевникова И.А., Карлина А.И. Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований)................................................................................. 24 Двиведи Р., Соматкар А., Чинчаникар С. Моделирование и оптимизация процесса накатывания роликом Al6061-T6 для достижения минимального отклонения от круглости, минимальной шероховатости поверхности и повышения ее микротвердости....................................................................................................................................... 52 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов шлифования рельсов с применением нового скоростного электропривода.................................................................. 66 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М............................................................................................................................ 79 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Шеленок Е.А. Жизненный цикл изделия: мониторинг процессов механической обработки и фильтрация виброакустических сигналов.......................................................................................... 94 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства частотных характеристик динамической системы резания при диагностике износа инструментов...................................................................... 114 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Особенности применения электродовинструментов, изготовленных аддитивными технологиями, при электроэрозионной обработке изделий............... 135 Сидоров Е.А., Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Рубцов В.Е., Утяганова В.Р., Осипович К.С., Колубаев Е.А. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности........................................................... 149 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Семин В.О., Панфилов А.О., Утяганова В.Р., Воронцов А.В., Зыкова А.П. Коррозионные характеристики композитов БрАМц9-2/06Х18Н9Т, полученных двухпроволочным электронно-лучевым аддитивным производством........................................................................................................................................................................ 163 Деванган Р., Шарма Б.П., Шарма Ш.С. Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи..................................................................................................................................................................... 179 Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления.............. 192 Бурдилов А.А., Довженко Г.Д., Батаев И.А., Батаев А.А. Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований)................................................................................................................................................ 208 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Износостойкость и коррозионное поведение Cu-Ti-покрытий в растворе SBF......................................................................................................................................... 234 Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сирош В.А., Макаров А.В. Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий....................................................................... 250 Шарма Б.П., Деванган Р., Шарма Ш.С. Механические свойства экологически чистых гибридных полимерных композитов с джутовыми волокнами и волокнами сиды сердцелистной...................................................................... 267 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Смирнов А.А., Плотникова Н.В., Кузьмин В.И., Головахин В., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А., Сергачёв Д.В. Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS.................................................................................................................................................................. 286 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 298 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 307 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 09.09.2024. Выход в свет 17.09.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 38,5. Уч.-изд. л. 71,6. Изд. № 112. Заказ 175. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 3 2024 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. 26 No. 3 2024 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, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 3 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sukhov A.V., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Assembly of threaded and adhesive-threaded joints with the application of ultrasonic vibrations...................................................................................................................................... 6 Baraboshkin K.A., Adigamov R.R., Yusupov V.S., Kozhevnikova I.A., Karlina A.I. Thermomechanical rolling in well casing production (research review)......................................................................................................................... 24 Dwivedi R., Somatkar A., Chinchanikar S. Modeling and optimization of roller burnishing of Al6061-T6 process for minimum surface roughness, better microhardness and roundness................................................................................ 52 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of rail grinding modes using a new high-speed electric drive...................................................................................................................................................... 66 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the possibility of resistance butt welding of pipes made of heat-resistant steel 0.15C-5Cr-Mo................................................................................................................................... 79 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Shelenok E.A. Product life cycle: machining processes monitoring and vibroacoustic signals fi lterings.................................................................................................................................................................... 94 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of frequency characteristics of dynamic cutting systems in the diagnosis of tool wear....................................................................................................................... 114 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Features of the use of tool electrodes manufactured by additive technologies in electrical discharge machining of products....................................................... 135 Sidorov E.A., GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Panfi lovA.O., Knyazhev E.O., NikolaevaA.V., CheremnovA.M., Rubtsov V.E., Utyaganova V.R., Osipovich K.S., Kolubaev E.A. Patterns of reverse-polarity plasma torches wear during cutting of thick rolled sheets..................................................................................................................................... 149 MATERIAL SCIENCE Semin V.O., Panfi lov A.O., Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Zykova A.P. Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing................................ 163 Dewangan R., Sharma B.P., Sharma S.S. Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis............................................................................ 179 Saprykina N.А., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А. The eff ect of technological parameters on the microstructure and properties of the AlSiMg alloy obtained by selective laser melting......................................................... 192 Burdilov A.A., Dovzhenko G.D., Bataev I.A., Bataev A.A. Methods of synchrotron radiation monochromatization (research review).................................................................................................................................................................. 208 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. Wear resistance and corrosion behavior of Cu-Ti coatings in SBF solution..................................................................................................................................................................... 234 Pugacheva N.B., Bykova T.M., Sirosh V.A., MakarovA.V. Structural features and tribological properties of multilayer high-temperature plasma coatings........................................................................................................................................ 250 Sharma B.P., Dewangan R., Sharma S.S. Characterizing the mechanical behavior of eco-friendly hybrid polymer composites with jute and Sida cordifolia fi bers.................................................................................................................... 267 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Smirnov A.I., Plotnikova N.V., Kuzmin V.I., Golovakhin V., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A., Sergachev D.V. Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying.................................................................................................................................................................... 286 EDITORIALMATERIALS 298 FOUNDERS MATERIALS 307 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 179 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи Риши Деванган 1, a, Бхупендра Шарма 2, b, Шиам Шарма 3, с, * 1 Университет Амити, Раджастхан, Джайпур, 303002, Индия 2 Университет Амити, Уттар-Прадеш, Нойда, 201313, Индия 3 Манипалский университет, Джайпур, Джайпур, 303007, Индия a https://orcid.org/0000-0002-1973-6726, rdewangan@jpr.amity.edu; b https://orcid.org/ 0000-0002-3207-7286, bpsharma@amity.edu; c https://orcid.org/0000-0002-1510-5871, shyamsunder.sharma@jaipur.manipal.edu Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 3 с. 179–191 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-179-191 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 671.22 История статьи: Поступила: 14 апреля 2024 Рецензирование: 17 мая 2024 Принята к печати: 22 июня 2024 Доступно онлайн: 15 сентября 2024 Ключевые слова: Дисперсионный анализ (ANOVA) Зола кокосовой скорлупы Твердость Красный шлам АННОТАЦИЯ Введение. В настоящее время широко используются легкие и высокопрочные алюмоматричные композиты из-за их высоких механических и трибологических свойств. Алюмоматричный композит, армированный керамикой и промышленными отходами, способен изменять свое механико-химическое поведение. Цель работы: создать алюмоматричный композиционный материал с использованием керамических (первичных) и промышленных (вторичных) отходов, представленных красным шламом и золой скорлупы кокосового ореха соответственно. Массовая доля упрочняющей фазы варьировалась от 5 до 12,5 масс. % соответственно с остаточным массовым процентом алюминиевого сплава. Метод исследования. Методом литья с перемешиванием были приготовлены девять образцов композиционных материалов. Перемешивание осуществляли со скоростью от 50 до 100 об/мин в течение 20 минут при температуре 800 °С. Результаты и обсуждение. Твердость алюмоматричного композита исследовали при нагрузке на индентор 10, 15 и 20 кН. Для проведения дисперсионного (ANOVA) анализа и регрессионного анализа путем выбора массового процента красного шлама и массового процента золы из скорлупы кокосового ореха был выбран метод Тагучи с ортогональным массивом L27. В качестве входного параметра использовали нагрузку на индентор, а в качестве выходного параметра – характер изменения твердости. Были исследованы отношение сигнал/помеха, таблица откликов, контурная диаграмма и график нормальной вероятности, и обнаружено, что значения твердости улучшаются при добавлении как упрочняющих компонентов, так и нагрузки на индентор. Результаты показывают, что значение твердости варьируется от 33,34 до 53,44 HB, а влияние массового процента красного шлама было более значимым, чем нагрузки на индентор и массового процента золы из скорлупы кокосового ореха. Для цитирования: Деванган Р., Шарма Б.П., Шарма Ш.С. Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 179–191. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-179-191. ______ *Адрес для переписки Шарма Шиам С., д.т.н., доцент Манипалский университет, Джайпур, 303007, Джайпур, Индия Тел.: +91-9887765320, e-mail: shyamsunder.sharma@jaipur.manipal.edu Введение В настоящее время широко используются алюмоматричные композиты (AL MMC) из-за хорошего отношения предела прочности к весу, а также благодаря высоким трибологическим свойствам. В обрабатывающей промышленности доступно большое количество материалов, поэтому нам нужны экономичные и высокоэффективные материалы, механические и химические свойства которых можно изменять в соответствии с требованиями потребителя. Благодаря упрочняющим наполнителям в алюмоматричных композитах можно адаптировать механические, химические и трибологические свойства последних к требованиям рынка и потребителя. В последнее десятилетие керамические наполнители на основе кремния, алюминия, титана и других элементов широко используются для упрочнения алюмоматричных композитов, но это повышает стоимость производства и обработки композиционных материалов [1].
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 180 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Промышленные и биологические отходы, такие как красный шлам, железная руда, зола рисовой шелухи, зола жома, зола скорлупы кокосового ореха и другие, обладают способностью заменять керамический наполнитель при разработке экономически эффективных композиционных материалов за счет снижения производственных затрат. В данной исследовательской работе гибридный композиционный материал с металлической матрицей получен с использованием промышленных отходов красного шлама и биоотходов золы скорлупы кокосового ореха. Ранее многие исследователи применяли золу скорлупы кокосовых орехов в качестве адсорбента для удаления тяжелых металлов и красителей из водных растворов [2], при разработке строительных материалов, таких как кирпичная плитка [3], цементных и полимерных композитов [4, 5], а также для изготовления активированного угля [6]. В свою очередь, красный шлам используется в качестве материала покрытия [7], в качестве заполнителя строительного раствора [8], минерального вяжущего материала [9], керамического материала [10], для выщелачивания тяжелых металлов и в целом для очистки сточных вод [11]. Некоторые исследователи применяли комбинацию биологических отходов с керамическими материалами для создания и оценки гибридного алюмоматричного композита. В работе [12] использовали золу скорлупы кокосового ореха и графен для оценки свойств абразивного износа. В работах [13] и [14] использовали смесь отходов сельского хозяйства в виде золы скорлупы кокосового ореха и золы баггаза (отход сахарного тростника) с оксидом алюминия для оценки механических свойств разработанного гибридного алюмоматричного композита. В работах [15] и [16] использовали смесь золы рисовой шелухи с красным шламом и глиноземом соответственно для оценки трибомеханического поведения гибридных алюмоматричных материалов. Твердость Твердость является важным параметром для проверки механической прочности композиционных материалов. Твердость композиционного материала зависит от различных факторов, таких как размер частиц наполнителя, термическая обработка, весовое соотношение упрочняющего наполнителя и межатомные связи между наполнителем и исходной матрицей. Ранее многие исследователи оптимизировали параметр твердости и пришли к выводу, что твердость композита повышается с увеличением размера частиц и термической обработки. Кроме того, твердость повышается до оптимального весового процента, который варьируется от упрочняющего наполнителя к композиту, поскольку обеспечивается хорошая межатомная связь между упрочняющим наполнителем и матрицей, но при более высоком весовом проценте значение твердости снижается из-за агломерации упрочняющего наполнителя в слое матрицы, что вызывает образование ямок и полостей. Полости приводят к распространению трещин и снижению предела прочности и твердости [17]. Значения твердости зависят от множества параметров, таких как весовая доля упрочняющего наполнителя, инденторная нагрузка, поведение при обработке, межатомные связи и др. По этой причине для экспериментов требуется большое количество образцов композита, и определять его характеристики становится дорого и трудоёмко. Таким образом, планирование эксперимента и анализ Тагучи являются подходящими подходами для оптимизации входных и выходных параметров. В настоящей работе алюминиевый композиционный материал, полученный методом литья с перемешиванием, и его значение твердости по Бринеллю оптимизируются с помощью ANOVA и регрессионного анализа. Выбранный ортогональный массив L27 плана эксперимента, влияние отношения сигнала к шуму, график нормальной вероятности остатка, характеристики отклика и контурные диаграммы сведены в таблицу для различных составных выборок. Материалы и методы Алюминиевый сплав серии 5051 был выбран в качестве исходного материала благодаря высокой жесткости и отношению предела прочности к весу, высокой коррозионной стойкости, оптимальным тепловым свойствам и широкому использованию при разработке строительных материалов, в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Красный шлам и зола скорлупы кокосовых орехов использовались в каче-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 181 MATERIAL SCIENCE стве упрочняющего наполнителя для создания гибридного композитного материала. Красный шлам является твёрдыми отходами промышленного процесса обработки боксита и используется в качестве основного упрочняющего материала, содержание которого варьируется от 5 до 12,5 %, он закупался на алюминиевом заводе Balco. Около 100 кокосовых орехов были закуплены в различных храмах Джайпура для получения золы путем сжигания и просеивания. Доля золы скорлупы кокосовых орехов, используемой в качестве вспомогательного упрочняющего наполнителя, варьируется от 5 до 12,5 масс. %. Как красный шлам, так и зола скорлупы кокосовых орехов были должным образом просеяны, чтобы получить частицы размером около 50 мкм, поскольку твердость повышается с увеличением размера частиц. Изготовление композиционного материала Девять алюминиевых образцов были изготовлены методом литья с перемешиванием. Для литья металлического алюминия использовали керамические тигли. Красный шлам и скорлупа кокосового ореха были предварительно нагреты до 200 °C с целью удаления влаги перед процессом литья. Параметры плавления и перемешивания оптимизировали с помощью панели управления. Были заданы следующие значения параметров: скорость перемешивания 50…100 об/мин, время перемешивания 20 минут, температура плавления 800 °С, температура предварительного нагрева 200 °С. Для разливки расплавленного металла была изготовлена цилиндрическая форма диаметром 20 мм и длиной 250 мм. С использованием ортогонального массива L9 были подготовлены девять образцов, при этом выбирался весовой процент отдельно красного шлама и золы скорлупы кокосового ореха в количестве 5, 7,5 и 12,5 вес. %. Твердость каждого композиционного образца рассчитывалась путем выбора трех параметров инденторной нагрузки – 10, 20 и 30 кН, контрольные переменные которых представлены в табл. 1. План эксперимента Для определения характеристик материала требуется оптимальный выходной параметр с целью уменьшения количества переменных параметров, а также повышения эффективности и долговечности композитных образцов. Эта оптимизация достигается путем контроля входного параметра над выходным, а анализ Тагучи является оптимальной платформой для определения характеристик материалов [14]. Здесь три параметра – весовой процент красного шлама, весовой процент золы скорлупы кокоса и инденторная нагрузка – взяты для проверки реакции твердости по Бринеллю на гибридном алюминиевом композиционном материале. Для оценки реакции твердости были приняты три уровня входных параметров, поэтому для дисперсионного анализа и регрессионного анализа был выбран ортогональный массив L27, который является экспериментальным и прогнозируемым результатом регрессионного анализа, сведенным в табл. 1. В этой исследовательской работе с целью проверки значения твердости образцов гибридных алюминиевых композитов с помощью программного обеспечения Minitab 17 были проведены дисперсионный и регрессионный анализы. Весовой процент золы скорлупы кокосового ореха (CSAweight %), весовой процент красного шлама (RM weight %) и инденторная нагрузка приняты в качестве входных параметров. Уровень золы скорлупы кокосового ореха и красного шлама принят равным 5, 7,5 и 12,5 вес. % при Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Уровень управляющих переменных для твердости Level of Control variables for hardness Переменная Ед. измерения Уровень I Уровень II Уровень III Красный шлам вес. % 5 7,5 12,5 Зола скорлупы кокосового ореха вес. % 5 7,5 12,5 Нагрузка на индентор кН 10 20 30
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 182 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ нагрузке 10, 15 и 20 кН. Значения твердости образцов композитов с разными параметрами приведены в табл. 2. На рис. 1 показано влияние твердости на отношение сигнал/шум (SN), здесь отклик оптимизирован для большего значения твердости, а среднее значение отношения SN варьируется от 31 до 32,6 значения твердости, что показывает оптимальную изменчивость выходного отклика твердости. Композиционный материал с наибольшим процентом упрочняющего наполнителя в виде красного шлама и золы скорлупы кокосового ореха с самой высокой инденторной нагрузкой имеет максимальную твердость 52,44 HB, которая почти на 95 % больше, чем у композиционного материала с самым низким процентом упрочняющего наполнителя (5 вес. % золы скорлупы кокосового ореха и 5 вес. % красного шлама) и инденторной нагрузкой 10 кН. Таким образом, значение твердости улучшается с увеличением объемной доли упрочняющего наполнителя при нагрузке [18]. Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Определение твердости по Бринеллю образцов алюминиевых композитов Brinell hardness characterization of aluminum composite specimens Красный шлам, % Зола скорлупы кокосового ореха, % Нагрузка на индентор, кН Наблюдаемая твердость Прогнозируемая твердость Отношение сигнал/шум 5 5 10 33,52 32,78 30,50696 5 5 15 34,75 35,02 30,82105 5 5 20 36,61 37,30 31,27347 5 7,5 10 35,12 35,94 30,91267 5 7,5 15 36,11 38,22 31,15281 5 7,5 20 38,22 40,50 31,64756 5 12,5 10 35,47 35,71 30,99823 5 12,5 15 37,60 37,95 31,50574 5 12,5 20 38,38 40,27 31,68409 7,5 5 10 36,27 34,95 31,1922 7,5 5 15 38,60 37,22 31,73368 7,5 5 20 39,21 39,50 31,8698 7,5 7,5 10 37,64 35,94 31,51387 7,5 7,5 15 38,99 38,22 31,82011 7,5 7,5 20 39,93 40,50 32,02644 7,5 12,5 10 38,09 37,92 31,61843 7,5 12,5 15 39,85 40,20 32,00981 7,5 12,5 20 40,32 42,48 32,11192 12,5 5 10 38,49 39,36 31,70709 12,5 5 15 39,33 41,64 31,89633 12,5 5 20 42,39 43,94 32,54664 12,5 7,5 10 39,04 40,35 31,83158 12,5 7,5 15 40,60 42,63 32,17236 12,5 7,5 20 48,72 44,91 33,75489 12,5 12,5 10 41,53 42,34 32,3691 12,5 12,5 15 43,51 44,62 32,77234 12,5 12,5 20 52,44 46,9 34,39448
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 183 MATERIAL SCIENCE Рис. 1. Среднее влияние отношения сигнал/шум на твердость по Бринеллю Fig. 1. Mean eff ect of signal-to-noise ratio on Brinell hardness Изменение твердости Изменение твердости гибридного алюминиевого композиционного материала, упрочненного красным шламом (RM) и золой скорлупы кокосового ореха (CSA), представлено в табл. 2. Твердость повышается с увеличением процентного содержания упрочняющего наполнителя, поскольку твердая и хрупкая фаза наполнителя создает смазывающую плотность дислокаций, в то время как применение нагрузки плотности дислокаций приводит к образованию новых полей деформации, которые противостоят движению дислокаций [19]. Разница температур плавления между упрочняющим наполнителем и алюминиевой матрицей также активирует механизм деформационного упрочнения за счет переноса поля деформации вдоль границы зерна, что создает барьерное поле вдоль матрицы и препятствует вдавливанию индентора, а следовательно, повышает твердость композитов [20]. Из рис. 2 видно, что значение твердости увеличивается с ростом нагрузки, поскольку в условиях высокой нагрузки смазочный слой (образованный за счет термического несоответствия между упрочняющим наполнителем и алюминиевой матрицей) создает сильное силовое поле дислокации вдоль области границ зерен алюминия, которое сопротивляется вдавливанию индентора, что поддерживает тенденцию увеличения твердости. Из рис. 2 также видно, что твердость растет по мере увеличения процентного содержания упрочняющего наполнителя, поскольку сочетание обоих упрочняющих компонентов может измельчить зернистую струкРис. 2. Изменение твердости в зависимости от нагрузки Fig. 2. Hardness variation with respected to load туру композита, а присутствие твердой и хрупкой фазы оксида кремния, оксида алюминия и оксида железа приводит к образованию прочной межатомной связи между алюминиевой матрицей и упрочняющим наполнителем. При этом требуется большая инденторная нагрузка для облегчения царапанья, что повышает твердость [21]. Согласно табл. 2 было использовано девять образцов, при этом выбирался весовой процент отдельно красного шлама и золы скорлупы кокосового ореха в количестве 5, 7,5 и 12,5 вес. %. Кроме того, для оценки изменения твердости выбраны три значения инденторной нагрузки: 10, 20 и 30 кН. Результаты оценки приведены на рис. 2. Результаты и их обсуждения Дисперсионный анализ (ANOVA) В табл. 3 представлены данные откликов на выходную твердость и показано, что весовой процент красного шлама имеет более высокий ранг, чем инденторная нагрузка и доля золы скорлупы кокосового ореха. Это очень полезный инструмент для проверки влияния входного параметра на выходной отклик. В табл. 4 приведены результаты дисперсионного анализа, который является ценным инструментом для проверки соответствия различных входных переменных выходным результатам. Вклад весового процента красного шлама достигает 48,80 %, весового процента золы скорлупы кокосового ореха – 10,41 % и инденторной нагрузки – 23,01 %. Результаты того же типа представлены в таблице
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1