ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

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.

1. Tribological and electric contact resistance properties of pulsed plasma duplex treatments on a low alloy steel / J. Murua, I. Ibañez, A. Dianova, S. Domínguez-Meister, O. Larrañaga, A. Larrañaga, I. Braceras // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 454. – P. 129155. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.129155.

2. Structure and properties of CrN/TiN multilayer coatings produced by cathodic arc plasma deposition on copper and beryllium-copper alloy / A.V. Kolubaev, O.V. Sizova, Yu.A. Denisova, A.A. Leonov, N.V. Teryukalova, O.S. Novitskaya, A.V. Byeli // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25 (4). – P. 306–317. – DOI: 10.1134/S102995992204004X.

3. Microstructure evolution and mechanical properties of plasma sprayed AlCoCrFeNi_2.1 eutectic high-entropy alloy coatings / L. Wang, F. Zhang, H. Ma, S. He, F. Yin // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 471. – P. 129924. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129924.

4. Akkurt A. The effect of cutting process on surface microstructure and hardness of pure and Al 6061 aluminium alloy // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2015. – Vol. 18 (3). – P. 303–308. – DOI: 10.1016/j.jestch.2014.07.004.

5. Ilii S.M., Coteata M. Plasma arc cutting cost // International Journal of Material Forming. – 2009. – Vol. 2 (1). – P. 689–692. – DOI: 10.1007/s12289-009-0588-4.

6. Experimental study of the features of the kerf generated by a 200A high tolerance plasma arc cutting system / R. Bini, B.M. Colosimo, A.E. Kutlu, M. Monno // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 196 (1–3). – P. 345–355. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.05.061.

7. Optimization of surface roughness in plasma arc cutting of AISID2 steel using TLBO / P. Patel, B. Nakum, K. Abhishek, V. Rakesh Kumar, A. Kumar // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5, iss. 9 (3). – P. 18927–18932. – DOI: 10.1016/j.matpr.2018.06.242.

8. Hoult A.P., Pashby I.R., Chan K. Fine plasma cutting of advanced aerospace materials // Journal of Materials Processing Technology. – 1995. – Vol. 48 (1–4). – P. 825–831. – DOI: 10.1016/0924-0136(94)01727-I.

9. Nandan Sharma D., Ram Kumar J. Optimization of dross formation rate in plasma arc cutting process by response surface method // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 32 (3). – P. 354–357. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.605.

10. Gariboldi E., Previtali B. High tolerance plasma arc cutting of commercially pure titanium // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 160 (1). – P. 77–89. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.04.366.

11. An experimental analysis of cutting quality in plasma arc machining / M. Gostimirovic, D. Rodic, M. Sekulic, A. Aleksic // Advanced Technologies & Materials. – 2020. – Vol. 45 (1). – P. 1–8. – DOI: 10.24867/ATM-2020-1-001.

12. Cinar Z., Asmael M., Zeeshan Q. Developments in plasma arc cutting (PAC) of steel alloys: A review // Jurnal Kejuruteraan. – 2018. – Vol. 30 (1). – P. 7–16. – DOI: 10.17576/jkukm-2018-30(1)-02.

13. Kudrna L., Fries J., Merta M. Influences on plasma cutting quality on CNC machine // Multidisciplinary Aspects of Production Engineering. – 2019. – Vol. 2 (1). – P. 108–117. – DOI: 10.2478/mape-2019-0011.

14. Влияние конструктивных особенностей плазмотрона на качество реза при прецизионной воздушно-плазменной разделке металла / С.В. Анахов, Б.Н. Гузанов, А.В. Матушкин, Н.Б. Пугачева, Ю.А. Пыкин // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2020. – Т. 63 (2). – С. 155–162. – DOI: 10.17073/0368-0797-2020-2-155-162.

15. Modeling and optimization of cut quality responses in plasma jet cutting of aluminium alloy EN AW-5083 / I. Peko, D. Maric, B. Nedic, I. Samardzic // Materials. – 2021. – Vol. 14 (19). – P. 5559. – DOI: 10.3390/ma14195559.

16. Salonitis K., Vatousianos S. Experimental investigation of the plasma arc cutting process // Procedia CIRP. – 2012. – Vol. 3. – P. 287–292. – DOI: 10.1016/j.procir.2012.07.050.

17. Suresh A., Diwakar G. Optimization of process parameters in plasma arc cutting for TWIP steel plates // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 38 (5). – P. 2417–2424. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.07.383.

18. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью / 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.Н. Иванов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 33–52. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-33-52.

19. Matushkina I., Anakhov S., Pyckin Yu. Design of a new gas-dynamic stabilization system for a metal-cutting plasma torch // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 2094. – P. 042075. – DOI: 10.1088/1742-6596/2094/4/042075.

20. Shchitsyn V.Yu., Yazovskikh V.M. Effect of polarity on the heat input into the nozzle of a plasma torch // Welding International. – 2002. – Vol. 16 (6). – P. 485–487. – DOI: 10.1080/09507110209549563.