Том 27 № 3 2025 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 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 в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 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 27 № 3 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Кондратьев В.В., Гозбенко В.Е., Кононенко Р.В., Константинова М.В., Гусева Е.А. Определение основных параметров контактной точечной сварки алюминиевого сплава АМг-5....................................................................... 6 Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Марченко А.А., Лавренова Т.В., Дебеева С.А. Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА.......................................................................................................................................................................... 23 Карелин Р.Д., Комаров В.С., Черкасов В.В., Осокин А.А., Сергиенко К.В., Юсупов В.С., Андреев В.А. Получение прутков и листов из сплава TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы методами продольной прокатки и ротационной ковки................................................................................................................................... 37 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства виброакустической эмиссии в системах диагностики износа режущего инструмента................................................................................................. 50 Жуков А.С., Ардашев Д.В., Батуев В.В., Кулыгин В.Л., Шулежко Е.И. Модальный анализ шлифовальных кругов различных характеристик для определения их интегральных упругих показателей....................................... 71 Нишандар С.В., Пайс А.Т., Багаде П.М. Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью....................................................................................................... 87 Носенко В.А., Ривас Перес Д.Э., Александров А.А., Саразов А.В. Влияние способа измельчения на коэффициент формы зерен карбида кремния черного................................................................................................................. 108 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки.............................................................................................. 122 Ковалевская Ж.Г., Лю Ю. Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................... 137 Сирота В.В., Прохоренков Д.С., Чуриков А.С., Подгорный Д.С., Алфимова Н.И., Коннов А.В. Коррозионные свойства покрытий из самофлюсующихся порошков, полученных методом детонационного напыления........ 151 Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.А. Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.......................................................................... 166 Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф. Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности............................................................... 183 Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А. Особенности строения градиентных слоев «сталь – Inconel – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания..................................................... 205 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al............................................................................... 221 Патил С., Чинчаникар С. Исследование механических свойств нанокомпозитов на основе сплава Al7075-T6, полученных методом механического замешивания частиц в расплав, с микроструктурным и фрактографическим анализом поверхности........................................................................................................................................................ 236 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 252 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 263 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 08.09.2025. Выход в свет 15.09.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 33,0. Уч.-изд. л. 61,38. Изд. № 121. Заказ 199. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 3 2025 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. 27 No. 3 2025 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 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. 27 No. 3 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kondratiev V.V., Gozbenko V.E., Kononenko R.V., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Determination of the main parameters of resistance spot welding of Al-5 Mg aluminum alloy..................................................................................... 6 Gvindjiliya V.E., Fominov E.V., Marchenko A.A., Lavrenova T.V., Debeeva S.A. Infl uence of cutting speed on pulse changes in the temperature of the front cutter surface during turning of heat-resistant steel 0.17 C-Cr-Ni-0.6 Mo-V................................................................................................................................................................ 23 Karelin R.D., Komarov V.S., Cherkasov V.V., OsokinA.A., Sergienko K.V., Yusupov V.S., Andreev V.A. Production of rods and sheets from TiNiHf alloy with high-temperature shape memory eff ect by longitudinal rolling and rotary forging methods.................................................................................................................................................................... 37 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of vibroacoustic emission in diagnostic systems for cutting tool wear................................................................................................................................................ 50 Zhukov A.S., Ardashev D.V., Batuev V.V., Kulygin V.L., Schuleshko E.I. Modal analysis of various grinding wheel types for the evaluation of their integral elastic parameters...................................................................................... 71 Nishandar S.V., Pise A.T., Bagade P.M. Numerical and experimental investigation of heat transfer augmentation in roughened pipes................................................................................................................................................................ 87 Nosenko V.A., Rivas Perez D.E., Alexandrov A.A., Sarazov A.V. The eff ect of the grinding method on the grain shape coeffi cient of black silicon carbide....................................................................................................................................... 108 MATERIAL SCIENCE Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Investigation of the process of surface decarburization of steel 20 after cementation and heat treatment.................................................................................................................................. 122 Kovalevskaya Z.G., Liu Y. Eff ect of heat treatment on the structure and properties of high-entropy alloy AlCoCrFeNiNb0.25............................................................................................................................................................. 137 Sirota V.V., Prokhorenkov D.S., Churikov A.S., Podgorny D.S., Alfi mova N.I., Konnov A.V. Corrosion properties of coatings produced from self-fl uxing powders by the detonation spraying method............................................................ 151 Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Yu., Semenchyuk N.A. The infl uence of structural state on the mechanical and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronze............................................................................................................. 166 Waheed F., Qayoom A., Shirazi M.F. Fabrication, characterization and performance evaluation of zinc oxide doped nanographite material as a humidity sensor......................................................................................................................... 183 Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A. Features of the structure of gradient layers «steel - Inconel - steel», obtained by laser direct metal deposition.................................................................................................. 205 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. The infl uence of tungsten carbide particle size on the characteristics of metalloceramic WC/Fe-Ni-Al coatings.................................................................................................... 221 Patil S., Chinchanikar S. Investigation on the mechanical properties of stir-cast Al7075-T6-based nanocomposites with microstructural and fractographic surface analysis...................................................................................................... 236 EDITORIALMATERIALS 252 FOUNDERS MATERIALS 263 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 166 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn Андрей Филиппов а, *, Николай Шамарин b, Сергей Тарасов c, Наталья Семенчук d Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0003-0487-8382, avf@ispms.ru; b https://orcid.org/0000-0002-4649-6465, shnn@ispms.ru; c https://orcid.org/0000-0003-0702-7639, tsy@ispms.ru; d https://orcid.org/0000-0001-6547-7676, natali.t.v@ispms.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 3 с. 166–182 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-166-182 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Бронзы представляют собой сплавы, комплекс свойств которых делает их незаменимыми для большого количества применений, связанных прежде всего с коррозионными средами и ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 620.22, 539.62 История статьи: Поступила: 23 июня 2025 Рецензирование: 03 июля 2025 Принята к печати: 10 июля 2025 Доступно онлайн: 15 сентября 2025 Ключевые слова: Аддитивные технологии Бронза Микроструктура Фазовый состав Механические свойства Интен сивная пластическая деформация Трение скольжения Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 24-29-00259), https://rscf. ru/project/24-29-00259/. АННОТАЦИЯ Введение. Электронно-лучевое аддитивное производство является перспективным методом получения новых сплавов с уникальными свойствами. В то же время существующие проблемы с получением качественной структуры требуют поиска технического решения, обеспечивающего измельчение зерна и формирование более однородной микроструктуры. Для деформационно-упрочняемых медных сплавов методы интенсивной пластической деформации являются эффективными способами управления их структурным состоянием и механическими свойствами. В настоящее время влияние интенсивной пластической деформации (ИПД) на структуру, механические и трибологические свойства перспективной для промышленного применения бронзы системы Cu-Al-Si-Mn не исследовано. Целью работы является исследование связи структурного состояния, сформированного в результате интенсивной пластической деформации, с механическими и трибологическими свойствами образцов бронзы системы Cu-Al-Si-Mn. В работе исследованы образцы бронзы системы Cu-Al-Si-Mn, изготовленные из проволок бронзы БрКМц 3-1 и технически чистого алюминия методом мультипроволочной электронно-лучевой аддитивной технологии. Для целенаправленного изменения структуры и свойств полученные аддитивные заготовки были подвергнуты интенсивной пластической деформации (ИПД). В качестве методов ИПД использовались многосторонняя ковка и прокатка, направленные на существенное измельчение зерна и повышение прочностных характеристик. Методы: исследование структуры на просвечивающем электронном микроскопе для детального анализа субмикронной структуры после ИПД; рентгенофазовый анализ для идентификации фазового состава сплава; испытания на растяжение для определения ключевых механических свойств – предела прочности, предела текучести и относительного удлинения; измерение микротвердости для оценки упрочнения образцов с использованием нагрузок по Виккерсу; конфокальная лазерная сканирующая микроскопия для трехмерного анализа топографии поверхности и исследования морфологии изношенных поверхностей; испытания на сухое трение скольжения для оценки износостойкости материала и коэффициента трения в условиях отсутствия смазки при заданных нагрузках и скоростях скольжения. Результаты и обсуждение. На основе данных просвечивающей электронной микроскопии установлено, что применение многосторонней ковки и прокатки привело к существенным изменениям в структуре материала, а также его фазового состава. На основе рентгенофазового анализа выявлено, что интенсивная пластическая деформация способствовала деформационному растворению γ- и β-фаз. Результаты испытаний на растяжение показали, что наибольшая прочность достигается после интенсивной пластической деформации методом прокатки, после многосторонней ковки. ИПД путем многосторонней ковки и последующей прокатки привела к повышению микротвердости бронзы. В результате трибологических испытаний установлено, что ИПД способствует снижению коэффициента трения (КТ) по сравнению с материалом в напечатанном состоянии. Термическая обработка образцов после ИПД привела к повышению КТ и увеличению флуктуаций его величины. ИПД путем многосторонней ковки и последующей прокатки способствует многократному увеличению износостойкости образов в условиях сухого трения скольжения. Низкотемпературный отжиг после ИПД приводит к снижению износостойкости деформированных образцов. Таким образом, применение ИПД позволяет повысить прочность и износостойкость образцов бронзы системы Cu-Al-Si-Mn. Для цитирования: Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn / А.В. Филиппов, Н.Н. Шамарин, С.Ю. Тарасов, Н.А. Семенчук // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 166–182. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.3-166-182. ______ *Адрес для переписки Филиппов Андрей Владимирович, к.т.н., зав. лабораторией Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический 2/4, 634055, г. Томск, Россия Тел.: +7 999 178-13-40, e-mail: avf@ispms.ru условиями трения скольжения. Механические, трибологические и коррозионные свойства бронз определяются их структурными и фазовыми состояниями, выбираемыми в зависимости от назначения сплава, они могут быть изменены путем соответствующего легирования. Наиболее важными легирующими элементами для бронз являются алюминий, железо, никель, олово, цинк, свинец, марганец и кремний, входящие в состав широко известных марок бронз си-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 167 MATERIAL SCIENCE стем Cu-Al, Cu-Mn, Cu-Zn, Cu-Pb, Cu-Si, Cu-AlFe, Cu-Ni-Al и Cu-Al-Fe-Ni. Требуемый уровень свойств достигается не только путем варьирования легирующих элементов, но также последующей термической и механической обработкой, что оказывает влияние на физико-механические характеристики материала [1]. Несмотря на большой объем уже выполненных в данной области работ, постоянно продолжаются поисковые исследования в направлении разработки новых конструкционных и функциональных материалов для нужд современной промышленности. Нынешний этап развития технологий материалов связан с разработкой аддитивных методов изготовления изделий из прочных материалов с хорошей обрабатываемостью, достаточно высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью [2]. Для получения аддитивного материала с приемлемым уровнем прочностных и функциональных свойств требуется найти рациональное сочетание условий печати и состава филамента. Наиболее важен выбор состава легирующих элементов, который будет обеспечивать требуемые структуру и фазовый состав. Затем определяются режимы термического и механического воздействия на напечатанный материал с целью достижения требуемых функциональных свойств. Алюминиевые бронзы характеризуются высокой прочностью и обрабатываемостью давлением [3]. Добавка кремния позволяет, сохраняя высокую прочность, повысить пластичность, стойкость к коррозии и циклическим ударным нагрузкам. Комплекс этих свойств может быть дополнительно расширен за счет введения в систему Cu-Al-Si марганца, который способствует повышению прочности, твердости и коррозионной стойкости. Кремний и марганец стабилизируют пластичную ГЦК α-фазу на основе твердого раствора легирующих элементов в меди и предотвращают образование хрупкой фазы β-Cu3Al. Однако чрезмерное увеличение концентраций этих элементов также может привести к образованию частиц силицидов и упрочняющих фаз системы Mn-Al. Это важно для повышения механических свойств бронзы путем механического воздействия (ковка, прокатка и др.). В промышленных сплавах системы Cu-Al, содержащих 8–12 вес. % Al, равновесными при комнатной температуре фазами являются фаза твердого раствора α-Cu(Al), а также интерметаллиды β-Cu3Al и γ2-Cu9Al4 [4]. Последний представляет собой продукт распада высокотемпературной β-Cu3Al на γ2-Cu9Al4 и α-Cu. Формирование γ2-Cu9Al4 приводит к снижению пластичности и коррозионной стойкости бронзы, и поэтому от нее пытаются избавиться. Одним из путей при этом может быть стимулирование бездиффузионного превращения β→β′. Присутствие β′-Cu3Al существенно влияет на механические свойства за счет эффекта повышения микротвердости и прочности [5–7]. В системе Cu-Si преимущественной является твердорастворная фаза α-Сu(Si). Многофазная структура, включающая силициды меди, образуется при содержании кремния свыше 5 вес. % [8]. Формирование силицидов меди при повышенном содержании кремния позволяет повысить прочность и твердость медных сплавов [9]. Более сложная ситуация наблюдается с бронзой на основе системы Cu-Al-Si. Большая часть работ по указанной системе сосредоточена на изучении фазового состава в области с повышенным содержанием алюминия [10–12], а также при больших содержаниях кремния [13]. Ранее сообщалось, что в такой бронзе могут формироваться структуры с ГЦК-, ОЦК- и ГПУкристаллическими решетками, а также частицы силицидов [14]. Фазовый состав напрямую зависит от содержания алюминия и кремния, а также от температуры и скорости затвердевания. По данным этой работы, увеличение доли алюминия способствует формированию более многофазной структуры. По результатам моделирования [15] при температурах 500 и 700 °С в тройной системе Cu-Al-Si при содержании Al ~10 ат. % и Si ~3 ат. % сплав является многофазным. Однако в указанной статье не приводится результатов структурных исследований, подтверждающих эти данные. После литья алюминиевые бронзы, как правило, имеют структуру, состоящую из крупных столбчатых зерен или дендритов. В процессе трехмерной печати методом электронно-лучевого аддитивного производства бронз на основе медно-алюминиевых (Cu-Al), медно-кремниймарганцевых (Cu-Si-Mn) и медно-алюминиймарганцевых (Cu-Al-Mn) систем в образцах также формируется столбчатая зеренная струк-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 3 2025 168 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ тура [16–18]. Такие зерна нежелательны, поскольку они негативно влияют на прочность и пластичность материала. Поэтому ключевой задачей для современных исследователей является разработка методов управления структурой бронзовых сплавов, таких как термомеханическая обработка или легирование, которые обеспечат повышение их прочности, износостойкости и усталостной долговечности. Легированные алюминием, кремнием и марганцем бронзы относятся к классу деформационно-упрочняемых сплавов. Для того чтобы целенаправленно воздействовать на их структурно-фазовое состояние и, как следствие, на механические свойства, целесообразно использование методов интенсивной пластической деформации (ИПД), среди которых можно выделить ковку, прокатку, равноканальное угловое прессование, кручение под высоким давлением и поверхностную пластическую деформацию [19, 20]. В настоящее время влияние ИПД на структуру, механические и трибологические свойства перспективной для промышленного применения бронзы системы Cu-Al-Si-Mn не исследовано. В особенности это касается материалов, получаемых аддитивными методами. На основании выполненного обзора, перспективности рассматриваемого материала и выявленных пробелов в ранее выполненных работах поставлена цель работы, которая заключается в исследовании взаимосвязи между различными структурными состояниями и свойствами медного сплава системы Cu-Al-Si-Mn. Для достижения поставленной цели путем проведения экспериментальных исследований требовалось решить следующие задачи: – исследовать структуру и фазовый состав образцов в состоянии после печати и после применения методов интенсивной пластической деформации; – определить механические свойства образцов с разным структурным состоянием методом испытаний на растяжение и микротвердость; – исследовать трибологические свойства образцов; – исследовать состояние поверхности дорожек трения. Методика исследований Для изучения влияния структурн ых состояний на свойства бронзы Cu-Al-Si-Mn методом электронно-лучевого выращивания изготовлены образцы в виде призматических блоков (20×20×40 мм). Печать осуществлялась путем одновременной подачи двух проволок – из БрКМц 3-1 и из технически чистого алюминия в соотношении 90 % бронзы и 10 % алюминия [21]. Химический состав образцов: 93,8 вес. % Cu, 2,5 вес. % Al, 2,8 вес. % Si, 0,9 вес. % Mn. Напечатанные блоки были подвергнуты интенсивной пластической деформации (ИПД) путем многосторонней ковки и прокатки. Кроме того, образцы после ИПД были подвергнуты также низкотемпературной термической обработке. Обозначения исследуемых образцов и параметры обработки приведены в таблице. Из полученных образцов на электроэрозионном станке вырезались двусторонние лопатки для проведения механических испытаний методом растяжения на испытательной машине Testsystem УТС-110М. Скорость растяжения составляла 1 мм/мин. Образцы в виде пластин дополнительно вырезались для проведения исследований методом рентгенофазового анализа на дифрактометре Shimadzu XRD-7000. Измерения микротвердости выполнялись с помощью микротвердомера Tochline-TBM при нагрузке 100 Н. Тонкая структура образцов изучалась методом просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе JEOL JEM-2100. Трибологические испытания проводились при фиксированной скорости скольжения 0,1 м/с и нормальной нагрузке 20 Н при сухом трении скольжения по схеме «палец – диск». Диски вырезались из бронз с разным структурным состоянием. Контртела изготовлены из шариков стали ШХ15. Микроскопы Tescan MIRA 3 LMU и Olympus OLS-4100 использовались для исследования состояния поверхности образцов после трения методами растровой и лазерной сканирующей микроскопии соответственно. Энергодисперсионный анализ проводился для выявления особенностей состояния образцов после трения. Результаты и их обсуждение На основе ранее полученных результатов [21] металлографических исследований уста-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 3 2025 169 MATERIAL SCIENCE Обозначение образцов и методик формирования их структуры Designation of samples and methods for forming their structure Обозначение образца / Sample designation Метод формирования структурного состояния / Method of forming a structural state 1 Электронно-лучевая печать / Electron beam additive manufacturing 2 Многосторонняя ковка по трем геометрическим осям до достижения 40 % пластической деформации в каждом направлении / Multi-axial forging along three geometric axes until 40 % plastic deformation is achieved in each direction 3 Прокатка после многосторонней ковки до достижения 50 % пластической деформации / Rolling after multi-axial forging until 50 % plastic deformation is achieved 4 Низкотемпературный отжиг (30 мин. при 400 °С) после многосторонней ковки с быстрым охлаждением в воде / Low-temperature annealing (30 min. at 400 °C) after multi-axial forging with rapid cooling in water 5 Низкотемпературный отжиг (30 мин. при 400 °С) после прокатки с быстрым охлаждением в воде / Low-temperature annealing (30 min. at 400 °C) after rolling with rapid cooling in water новлено, что структура напечатанной бронзы представлена зернами α-Cu(Al) твердого раствора размером ~75 мкм c прослойками вторичной фазы. При изучении тонкой структуры методом просвечивающей электронной микроскопии выявлено, что в напечатанной бронзе (образец 1) наблюдаются полосы, представляющие собой пластины α/β-эвтектоида, в которых произошел распад β → γ2 + α (рис. 1, а). Высокая плотность дислокаций и две пересекающиеся системы двойников деформации (рис. 1, б) являются результатом многосторонней ковки (образец 2). Прокатка (образец 3) формирует в материале высокую плотность дислокаций и двойники деформации (рис. 1, в). Первичные системы двойников деформации могут разрушаться из-за высокой степени деформации и заменяться вторичными, которые существенно меньше, чем сформированные на этапе многосторонней ковки. В образце 4 (рис. 1, г) превалирует одна система двойников деформации, сохранившаяся даже после отжига, что указывает на их достаточно высокую стабильность в отношении нагрева. В образце 5 (рис. 1, д) в материале сформировались дефекты упаковки, рекристаллизованные субмикронные зерна и микродвойники отжига. Эти структурные изменения указывают на то, что высокая степень деформации способствовала рекристаллизации зерен даже при отжиге ниже температуры рекристаллизации. На основе рентгенофазового анализа выявлено влияние метода ИПД и последующей термической обработки на фазовый состав напечатанной бронзы. На рентгенограммах отчетливо видны интенсивные рефлексы фазы α-Cu(Al), при этом высота пика (111) максимальна, что косвенно свидетельствует об отсутствии текстуры роста (рис. 2, а). При детальном рассмотрении также были выявлены рефлексы γ2-Cu9Al4, которые встречаются только в образцах напечатанной бронзы (образец 1, рис. 2, в, г) и образцах после многосторонней ковки (образец 2, рис. 2, в, г), при этом интенсивность рефлексов этой фазы стала выше после всесторонней ковки, предположительно за счет формирования γ2-Cu9Al4 при пластической деформации в системе Cu-Al. По крайней мере известно, что фаза γ2-Cu9Al4 формировалась при механическом легировании и фрикционной перемешивающей обработке, а также распадалась на компоненты при нагреве выше 180 °С [22]. Поэтому либо промежуточный отжиг перед прокаткой, либо полный отжиг при 400 °С могут полностью уничтожить эту фазу. Помимо этого, наблюдаются рефлексы фазы β-Cu3Al, которые встречаются в образцах на-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1