ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM) благодаря своей характеристике «проектирование как производство» постепенно становится одной из перспективных технологий. Однако в настоящее время отсутствуют сравнительные исследования микроструктуры и механических свойств наплавленных образцов из аустенитной нержавеющей стали на различных участках, а также недостаточно изучена их обрабатываемость. Цель работы. Сравнение микроструктуры и механических свойств образцов из аустенитной нержавеющей стали ER321 (аналоги – AISI 321, 08Х18Н10Т), полученных методом WAAM, на различных участках и оценка их обрабатываемости по величине составляющих силы резания при концевом фрезеровании и шероховатости обработанной поверхности. В работе исследованы свойства и микроструктура образцов, полученных проволочно-дуговой аддитивной технологией, измерены силы фрезерования. Установлено влияние подачи на составляющие силы резания и шероховатость обработанных поверхностей при встречном фрезеровании образцов из стали ER321 концевыми фрезами из твердого сплава ВК10 диаметром 12 мм с износостойким покрытием AlTiN, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Методы исследования. С использованием микрорентгеноспектрального анализа определялись содержание элементов и схема затвердевания в различных участках образцов. Металлографическим методом исследовалась микроструктура образцов. В результате испытаний на растяжение были получены диаграммы растяжения, а также измерялась микротвердость образцов. По сравнению с закономерностью при встречном фрезеровании прокатанных образцов была установлена закономерность изменения сил резания и шероховатости поверхности в зависимости от величины подачи при фрезеровании наплавленных образцов. Результаты и обсуждение. При наплавке на нижнем участке образца первично выделяется феррит червеобразной формы, а на остальных участках – аустенит, в котором феррит имеет дендритную форму. Значения микротвердости наплавленных и прокатанных образцов близки и составляют около 230 HV_0,1. Предел прочности на растяжение прокатанных образцов составляет 666 МПа, что примерно на 40 МПа выше, чем у наплавленных образцов. При фрезеровании наплавленных образцов боковая сила, действующая перпендикулярно направлению подачи, больше, а качество обработанной поверхности хуже. При большой минутной подаче при фрезеровании наплавленных образцов сила подачи, действующая в направлении подачи, больше, чем у прокатанных образцов.

1. Ahuja B., Karg M., Schmidt M. Additive manufacturing in production: Challenges and opportunities // Proceedings of SPIE. – 2015. – Vol. 9353. – P. 11–20. – DOI: 10.1117/12.2082521.

2. Altaf K., Abdul-Rani A.M., Raghavan V. Prototype production and experimental analysis for circular and profiled conformal cooling channels in aluminium filled epoxy injection mould tools // Rapid Prototyping Journal. – 2013. – Vol. 19 (4). – P. 220–229. – DOI: 10.1108/13552541311323236.

3. Rozvany G.I. A critical review of established methods of structural topology optimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. – 2009. – Vol. 37 (2). – P. 217–237. – DOI: 10.1007/s00158-007-0217-0.

4. Sobczak J.J., Drenchev L. Metallic functionally graded materials: A specific class of advanced composites // Journal of Materials Science and Technology. – 2013. – Vol. 29 (4). – P. 297–316. – DOI: 10.1016/j.jmst.2013.02.006.

5. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при ЭБ-печати проволокой / В.A. Клименов, Е.A. Колубаев, Ц. Хань, А.В. Чумаевский, Э.С. Двилис, И.Л. Стрелкова, Е.А. Дробяз, О.Б. Яременко, А.Е. Куранов // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 180–201. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-180-201.

6. Flow behavior and microstructure evolution during dynamic deformation of 316L stainless steel fabricated by wire and arc additive manufacturing / J. Chen, H. Wei, X. Zhang, Y. Peng, J. Kong, K. Wang // Materials & Design. – 2021. – Vol. 198. – P. 109325. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109325.

7. Microstructure evolution and mechanical properties of a wire-arc additive manufactured austenitic stainless steel: Effect of processing parameter / P. Long, D. Wen, J. Min, Z. Zheng, J. Li, Y. Liu // Materials. – 2021. – Vol. 14 (7). – P. 1681. – DOI: 10.3390/ma14071681.

8. Microstructure, mechanical properties and fracture toughness of SS 321 stainless steel manufactured using wire arc additive manufacturing / K.S. Prakash, A.R. Kannan, R. Pramod, N.P. Kumar, N.S. Shanmugam // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2023. – Vol. 76 (2). – P. 537–544. – DOI: 10.1007/s12666-022-02713-3.

9. Chinakhov D.A., Akimov K.O. Formation of the structure and properties of deposited multilayer specimens from austenitic steel under various heat removal conditions // Metals. – 2022. – Vol. 12 (9). – P. 1527. – DOI: 10.3390/met12091527.

10. Microstructure and grain growth inhomogeneity in austenitic steel produced by wire-feed electron beam melting: the effect of post-building solid-solution treatment / E.G. Astafurova, M.Y. Panchenko, V.A. Moskvina, G.G. Maier, S.V. Astafurov, E.V. Melnikov // Journal of Materials Science. – 2020. – Vol. 55 (3). – P. 9211–9224. – DOI: 10.1007/s10853-020-04424-w.

11. Effects of laser additive manufacturing on microstructure and crystallographic texture of austenitic and martensitic stainless steels / F. Khodabakhshi, M.H. Farshidianfar, A.P. Gerlich, M. Nosko, V. Trembošová, A. Khajepour // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 31. – P. 100915. – DOI: 10.1016/j.addma.2019.100915.

12. Design for additive manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints / M.K. Thompson, G. Moroni, T. Vaneker, G. Fadel, R.I. Campbell, I. Gibson // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 65 (2). – P. 737–760. – DOI: 10.1016/j.cirp.2016.05.004.

13. Исследование сил резания и обрабатываемости при фрезеровании порошковой коррозионно-стойкой стали, полученной по технологии прямого лазерного выращивания (LMD) / А.С. Бабаев, В.Н. Козлов, А.Р. Семенов, А.С. Шевчук, В.А. Овчаренко, Е.А. Сударев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 38–56. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-38-56.

14. Investigations on the effect of layers’ thickness and orientations in the machining of additively manufactured stainless steel 316L / A. Dabwan, S. Anwar, A.M. Al-Samhan, A. AlFaify, M.M. Nasr // Materials. – 2021. – Vol. 14 (7). – P. 1797. – DOI: 10.3390/ma14071797.

15. Study on microstructure, mechanical properties and machinability of efficiently additive manufactured AISI 316L stainless steel by high-power direct laser deposition / P. Guo, B. Zou, C. Huang, H. Gao // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 240. – P. 12–22. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.09.005.

16. Thermal study during milling of Ti6Al4V produced by Electron Beam Melting (EBM) process / S. Milton, A. Duchosal, F. Chalon, R. Leroy, A. Morandeau // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 38. – P. 256–265. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.12.027.

17. Anisotropy and heterogeneity of microstructure and mechanical properties in metal additive manufacturing: A critical review / Y. Kok, X.P. Tan, P. Wang, M.L.S. Nai, N.H. Loh, E. Liu, S.B. Tor // Materials & Design. – 2018. – Vol. 139. – P. 565–586. – DOI: 10.1016/j.matdes.2017.11.021.

18. Марочник стали и сплавов: сайт. – 2003–2025. – URL: https://www.splav-kharkov.com (дата обращения: 17.10.2025).

19. Flow behavior and microstructure evolution during dynamic deformation of 316L stainless steel fabricated by wire and arc additive manufacturing / J. Chen, H. Wei, X. Zhang, Y. Peng, J. Kong, K. Wang // Materials & Design. – 2021. – Vol. 198. – P. 109325. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109325.

20. Astafurov S., Astafurova E. Phase composition of austenitic stainless steels in additive manufacturing: A review // Metals. – 2021. – Vol. 11 (7). – P. 1052. – DOI: 10.3390/met11071052.

21. Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties / P. Bajaj, A. Hariharan, A. Kini, P. Kürnsteiner, D. Raabe, E.A. Jägle // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 772. – P. 138633. – DOI: 10.1016/j.msea.2019.138633.

22. Elmer J.W., Allen S.M., Eagar T.W. Microstructural development during solidification of stainless steel alloys // Metallurgical Transactions A. – 1989. – Vol. 20 (8). – P. 2117–2131. – DOI: 10.1007/BF02650298.

23. Thermal behavior and microstructural evolution during laser deposition with laser-engineered net shaping: Part I. Numerical calculations / B. Zheng, Y. Zhou, J.E. Smugeresky, J.M. Schoenung, E.J. Lavernia // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2008. – Vol. 39 (10). – P. 2228–2236. – DOI: 10.1007/s11661-008-9557-7.

24. Production of workpieces from martensitic stainless steel using electron-beam surfacing and investigation of cutting forces when milling workpieces / N.V. Martyushev, V.N. Kozlov, M. Qi, V.S. Tynchenko, R.V. Kononenko, V.Y. Konyukhov, D.V. Valuev // Materials. – 2023. – Vol. 16 (13). – P. 4529. – DOI: 10.3390/ma16134529.

25. Расчет напряжений в режущем инструменте в начале резания / Ц. Чжан, Л. Шэ, Т. Го, В.Н. Козлов // Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов: сборник докладов III Международной научно-практической конференции. – Томск, 2023. – C. 450–456.

26. Study of a methodology for calculating contact stresses during blade processing of structural steel / V.N. Kozlov, A.S. Babaev, N.A. Shults, A.S. Semenov, A.S. Shevchuk // Metals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 2009. – DOI: 10.3390/met13122009.

27. Heat transfer modelling and stability analysis of selective laser melting / A.V. Gusarov, I. Yadroitsev, P. Bertrand, I. Smurov // Applied Surface Science. – 2007. – Vol. 254 (4). – P. 975–979. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.08.074.

28. Das C.R., Ghosh A. Performance of carbide end mills coated with new generation nano-composite TiAlSiN in machining of austenitic stainless steel under near-dry (MQL) and flood cooling conditions // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 104. – P. 418–442. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.09.020.